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JP2018104788A - Electrochemical hydrogen pump - Google Patents

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JP2018104788A
JP2018104788A JP2016254641A JP2016254641A JP2018104788A JP 2018104788 A JP2018104788 A JP 2018104788A JP 2016254641 A JP2016254641 A JP 2016254641A JP 2016254641 A JP2016254641 A JP 2016254641A JP 2018104788 A JP2018104788 A JP 2018104788A
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gas diffusion
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JP2016254641A
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藥丸 雄一
Yuichi Kusumaru
雄一 藥丸
鵜飼 邦弘
Kunihiro Ukai
邦弘 鵜飼
岡市 敦雄
Atsuo Okaichi
敦雄 岡市
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

【課題】カソードおよびアノード間の差圧によって電解質膜が破断する可能性を低減し得る電気化学式水素ポンプを提供する。【解決手段】電圧印加器13により、膜電極接合体15のアノードとカソードの間に電圧を印加する。次にアノード入口配管11を通じて、アノードガスをアノード室8に供給すると、アノードガス中の水素は、アノード上で電子を遊離してプロトンとなる。遊離した電子は、電圧印加器を介してカソードへ移動する。一方、プロトンは水分子を同伴しながら電解質膜4内を透過し、カソードに触れる。カソードでは、電解質膜を透過したプロトンと、カソードガス拡散層2Cからの電子とによる還元反応が行われ、カソードガス(H2)が生成される。これにより、CO2ガスなどの不純物は膜電極接合体において除去される。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical hydrogen pump capable of reducing the possibility of breaking an electrolyte membrane due to a pressure difference between a cathode and an anode. A voltage applicator 13 applies a voltage between an anode and a cathode of a membrane electrode assembly 15. Next, when the anode gas is supplied to the anode chamber 8 through the anode inlet pipe 11, hydrogen in the anode gas releases electrons on the anode to become protons. The liberated electrons move to the cathode via the voltage applicator. On the other hand, the protons penetrate the electrolyte membrane 4 while entraining water molecules and come into contact with the cathode. At the cathode, a reduction reaction is performed by the protons that have passed through the electrolyte membrane and the electrons from the cathode gas diffusion layer 2C, and cathode gas (H2) is generated. Thereby, impurities such as CO2 gas are removed in the membrane electrode assembly. [Selection diagram] Figure 2

Description

本開示は電気化学式水素ポンプに関する。   The present disclosure relates to an electrochemical hydrogen pump.

近年、地球の温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素が注目されている。水素は燃焼しても水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素および窒素酸化物などが排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。水素を燃料として利用する装置としては、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに、燃料電池の開発および普及が進んでいる。そして、来るべき水素社会では、水素を製造することはもとより、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用し得る技術開発が求められている。更に、燃料電池の普及の促進には、燃料供給インフラを整備する必要がある。そこで、高純度の水素を精製および昇圧する様々な提案が行われている。   In recent years, hydrogen has attracted attention as a clean alternative energy source to replace fossil fuels due to environmental problems such as global warming and energy problems such as the depletion of petroleum resources. When hydrogen burns, only water is released, and carbon dioxide and nitrogen oxides that cause global warming are not discharged. Therefore, hydrogen is expected as clean energy. As an apparatus using hydrogen as a fuel, for example, there is a fuel cell, and the development and popularization of a fuel cell is progressing for a power source for automobiles and a private power generation for home use. In the coming hydrogen society, not only the production of hydrogen, but also the development of technology capable of storing hydrogen at a high density and transporting or using it at a low capacity and at a low cost is required. Furthermore, in order to promote the spread of fuel cells, it is necessary to improve the fuel supply infrastructure. Accordingly, various proposals have been made to purify and boost high-purity hydrogen.

例えば、特許文献1には、図12に示すように、高差圧用電気化学セルの電解質膜の支持部材30が、電解質膜に接触するガス拡散層として用いられている。つまり、支持部材30の一方の面には、複数の矩形の凹部が形成され、他方の面には複数の菱形の凹部が形成されている。そして、両方の凹部同士の重畳部が、流体が通過する貫通孔31を構成している。これにより、従来のメッシュタイプのガス拡散層で発生する恐れがあった流体流路の詰まりを抑制できるとともに、電気化学セルの高圧側と低圧側との差圧に耐え得る剛性を確保できる。よって、電解質膜の破損点に至るような変形が支持部材30の支持により抑制される。   For example, in Patent Document 1, as shown in FIG. 12, an electrolyte membrane support member 30 of an electrochemical cell for high differential pressure is used as a gas diffusion layer in contact with the electrolyte membrane. That is, a plurality of rectangular recesses are formed on one surface of the support member 30, and a plurality of rhombus recesses are formed on the other surface. And the overlapping part of both recessed parts comprises the through-hole 31 through which the fluid passes. This can prevent clogging of the fluid flow path, which may occur in the conventional mesh type gas diffusion layer, and can secure rigidity capable of withstanding the differential pressure between the high pressure side and the low pressure side of the electrochemical cell. Therefore, deformation that reaches the breakage point of the electrolyte membrane is suppressed by the support of the support member 30.

また、特許文献2には、図13に示すように、燃料電池のセパレータの積層方向に隣接するガス拡散板112およびガス拡散板113の開口の中心がずれるように、これらの拡散板を配置する構成が提案されている。これにより、燃料電池のセパレータのガス拡散性を向上できる。   Further, in Patent Document 2, as shown in FIG. 13, these diffusion plates are arranged so that the centers of the openings of the gas diffusion plate 112 and the gas diffusion plate 113 adjacent to each other in the stacking direction of the separator of the fuel cell are shifted. A configuration is proposed. Thereby, the gas diffusibility of the separator of a fuel cell can be improved.

特許第4733380号公報Japanese Patent No. 4733380 特開2008−235060号公報JP 2008-2335060 A

しかし、特許文献1では、電気化学セルの高圧側と低圧側との差圧によってガス拡散層の貫通孔上で電解質膜が押圧される場合の電解質膜の破断について十分に検討されていない。また、特許文献2は、燃料電池のセパレータのガス拡散板を対象としているので、ガス拡散板の開口部上で電解質膜が押圧される場合の電解質膜の破断という問題が想定されていない。   However, Patent Document 1 does not sufficiently examine the breakage of the electrolyte membrane when the electrolyte membrane is pressed on the through hole of the gas diffusion layer due to the differential pressure between the high pressure side and the low pressure side of the electrochemical cell. Further, since Patent Document 2 is intended for a gas diffusion plate of a separator of a fuel cell, the problem of breakage of the electrolyte membrane when the electrolyte membrane is pressed on the opening of the gas diffusion plate is not assumed.

本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、カソードおよびアノード間の差圧によってアノードガス拡散層に押圧された電解質膜が破断する可能性を従来よりも低減し得る電気化学式水素ポンプを提供する。   One aspect of the present disclosure has been made in view of such circumstances, and the possibility that the electrolyte membrane pressed against the anode gas diffusion layer is broken by the differential pressure between the cathode and the anode is higher than in the past. An electrochemical hydrogen pump that can be reduced is provided.

上記課題を解決するため、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、一対の主面を備える電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、前記カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散層と、前記アノード触媒層に設けられたアノードガス拡散層と、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記アノードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、前記アノードガス拡散層において、前記アノード触媒層に隣接する第1の金属シートの複数の通気孔の配設位置と前記第1の金属シートに隣接する第2の金属シートの複数の通気孔の配設位置とがずれており、前記第1の金属シートの通気孔の開口の一部は、前記第2の金属シートの通気孔の開口と重なっており、前記第1の金属シートの通気孔の開口の残りの部分は、前記第2の金属シートの通気孔が設けられていない領域により塞がれている。   In order to solve the above problems, an electrochemical hydrogen pump according to an aspect of the present disclosure includes an electrolyte membrane including a pair of main surfaces, a cathode catalyst layer provided on one main surface of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane. An anode catalyst layer provided on the other main surface; a cathode gas diffusion layer provided on the cathode catalyst layer; an anode gas diffusion layer provided on the anode catalyst layer; the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer; A voltage applicator for applying a voltage between the anode gas diffusion layer and the anode gas diffusion layer, wherein the anode gas diffusion layer includes a laminate of a plurality of metal sheets provided with a plurality of air holes. The arrangement positions of the plurality of ventilation holes of the first metal sheet adjacent to the catalyst layer are shifted from the arrangement positions of the plurality of ventilation holes of the second metal sheet adjacent to the first metal sheet, A part of the opening of the vent hole of the first metal sheet overlaps with the opening of the vent hole of the second metal sheet, and the remaining part of the opening of the vent hole of the first metal sheet is the second part. The metal sheet is closed by a region where no air hole is provided.

本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、カソードおよびアノード間の差圧によってアノードガス拡散層に押圧された電解質膜が破断する可能性を従来よりも低減し得るという効果を奏する。   The electrochemical hydrogen pump according to an aspect of the present disclosure has an effect that the possibility that the electrolyte membrane pressed against the anode gas diffusion layer is broken by the differential pressure between the cathode and the anode can be reduced as compared with the conventional case.

図1は、アノードガス拡散層の通気孔上で、電気化学式水素ポンプのカソードおよびアノード間の差圧によって押圧された電解質膜の一例を断面視した図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of an electrolyte membrane pressed by a differential pressure between a cathode and an anode of an electrochemical hydrogen pump on a vent hole of an anode gas diffusion layer. 図2は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment. 図3は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an anode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment. 図4は、第1実施形態の第1変形例の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を平面視した図である。FIG. 4 is a plan view of an example of an anode gas diffusion layer of an electrochemical hydrogen pump according to a first modification of the first embodiment. 図5は、第1実施形態の第2変形例の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散層の一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a cathode gas diffusion layer of an electrochemical hydrogen pump according to a second modification of the first embodiment. 図6は、第1実施形態の第2変形例の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散層の一例を平面視した図である。FIG. 6 is a plan view of an example of the cathode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the second modification of the first embodiment. 図7Aは、第2実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を断面視した図である。FIG. 7A is a cross-sectional view of an example of an anode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the second embodiment. 図7Bは、第2実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を断面視した図である。FIG. 7B is a cross-sectional view of an example of an anode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the second embodiment. 図8Aは、アノードガス拡散層の積層体の金属シートの一例を平面視した図である。FIG. 8A is a plan view of an example of a metal sheet of a laminate of anode gas diffusion layers. 図8Bは、アノードガス拡散層の積層体の金属シートの一例を平面視した図である。FIG. 8B is a plan view of an example of a metal sheet of a laminate of anode gas diffusion layers. 図8Cは、アノードガス拡散層の積層体の金属シートの一例を平面視した図である。FIG. 8C is a plan view of an example of a metal sheet of a laminate of anode gas diffusion layers. 図9は、第2実施形態の第1実施例の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を断面視した図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of an example of the anode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the first example of the second embodiment. 図10は、第2実施形態の第2実施例の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を断面視した図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of an example of the anode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the second example of the second embodiment. 図11は、第2実施形態の変形例の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を断面視した図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of an example of an anode gas diffusion layer of an electrochemical hydrogen pump according to a modification of the second embodiment. 図12は、従来のガス拡散層の一例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an example of a conventional gas diffusion layer. 図13は、従来のガス拡散層の一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a conventional gas diffusion layer.

電気化学式水素ポンプのカソードおよびアノード間の差圧によってアノードガス拡散層の通気孔上で電解質膜が押圧される場合の電解質膜の破断について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。   As a result of intensive investigations on the rupture of the electrolyte membrane when the electrolyte membrane is pressed on the vent of the anode gas diffusion layer by the pressure difference between the cathode and the anode of the electrochemical hydrogen pump, the following findings were obtained.

例えば、図1に示すように、上記の差圧により、電解質膜104がアノードガス拡散層102Aの通気孔125上で押圧される場合、可とう性の電解質膜104は、アノードガス拡散層102Aの通気孔125で凹状に垂れる。すると、通気孔125のエッジ部125Eで電解質膜104が曲げられることにより、このエッジ部125Eにおける電解質膜104にクラックなどが発生して、電解質膜104が破断する可能性がある。   For example, as shown in FIG. 1, when the electrolyte membrane 104 is pressed on the vent hole 125 of the anode gas diffusion layer 102A due to the above-described differential pressure, the flexible electrolyte membrane 104 is separated from the anode gas diffusion layer 102A. The air hole 125 hangs down in a concave shape. Then, the electrolyte membrane 104 is bent at the edge portion 125E of the vent hole 125, so that cracks or the like may occur in the electrolyte membrane 104 at the edge portion 125E, and the electrolyte membrane 104 may be broken.

ここで、通気孔125を微細に加工する程、電解質膜104が通気孔125上で押圧されても、通気孔125における電解質膜104の垂れ込み量を低減できるので、電解質膜104が破断しにくくなる。しかし、アノードガス拡散層102Aに対して、このような通気孔125の微細加工が困難な場合がある。例えば、通気孔125の孔径が小さくなる程、通気孔125の孔径のバラツキが大きくなる傾向がある。また、通気孔125の孔径が小さくなる程、通気孔125の加工コストが嵩む傾向がある。   Here, as the vent hole 125 is processed more finely, even if the electrolyte membrane 104 is pressed on the vent hole 125, the amount of sag of the electrolyte membrane 104 in the vent hole 125 can be reduced, so that the electrolyte membrane 104 is less likely to break. Become. However, such fine processing of the air holes 125 may be difficult for the anode gas diffusion layer 102A. For example, as the hole diameter of the vent hole 125 decreases, the variation in the hole diameter of the vent hole 125 tends to increase. Further, the processing cost of the vent hole 125 tends to increase as the hole diameter of the vent hole 125 decreases.

そこで、本開示の第1の態様の電気化学式水素ポンプは、以上の知見に基づいて案出されたものであり、一対の主面を備える電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散層と、アノード触媒層に設けられたアノードガス拡散層と、カソード触媒層およびアノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、アノードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、アノードガス拡散層において、アノード触媒層に隣接する第1の金属シートの複数の通気孔の配設位置と第1の金属シートに隣接する第2の金属シートの複数の通気孔の配設位置とがずれており、第1の金属シートの通気孔の開口の一部は、第2の金属シートの通気孔の開口と重なっており、第1の金属シートの通気孔の開口の残りの部分は、第2の金属シートの通気孔が設けられていない領域により塞がれている。   Therefore, the electrochemical hydrogen pump according to the first aspect of the present disclosure has been devised based on the above knowledge, and is provided on an electrolyte membrane having a pair of main surfaces and one main surface of the electrolyte membrane. A cathode catalyst layer, an anode catalyst layer provided on the other main surface of the electrolyte membrane, a cathode gas diffusion layer provided on the cathode catalyst layer, an anode gas diffusion layer provided on the anode catalyst layer, and a cathode catalyst A voltage applicator for applying a voltage between the anode catalyst layer and the anode catalyst layer, wherein the anode gas diffusion layer includes a laminate of a plurality of metal sheets provided with a plurality of vent holes, and in the anode gas diffusion layer The arrangement positions of the plurality of vent holes of the first metal sheet adjacent to the anode catalyst layer are shifted from the arrangement positions of the plurality of vent holes of the second metal sheet adjacent to the first metal sheet, First metal sheet A part of the opening of the second metal sheet overlaps with the opening of the second metal sheet, and the remaining part of the opening of the first metal sheet is formed by the second metal sheet. It is blocked by a region that is not provided.

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードおよびアノード間の差圧によってアノードガス拡散層に押圧された電解質膜が破断する可能性を従来よりも低減し得る。   According to such a configuration, the electrochemical hydrogen pump of this aspect can reduce the possibility that the electrolyte membrane pressed against the anode gas diffusion layer will break due to the differential pressure between the cathode and the anode.

具体的には、第1の金属シートの通気孔の配設位置と第2の金属シートの通気孔の配設位置とは、両者の通気孔の一部が重なり合うようにずれているので、第1の金属シートに対して通気孔の微細加工を行わずに、第1の金属シートの通気孔における電解質膜の垂れ込み量を低減できる。つまり、電解質膜が第1の金属シートの通気孔上で押圧されても、第2の金属シートの通気孔が設けられていない領域で電解質膜を保持することができるので、第1の金属シートの通気孔において、電解質膜が第2の金属シートを超えて垂れ込むことが適切に抑制される。これにより、電気化学式水素ポンプのカソードおよびアノード間の差圧によって、第1の金属シートの通気孔上で電解質膜が押圧されても、この通気孔のエッジ部で電解質膜が曲げられることを抑制できるので、電解質膜が破断しにくくなる。   Specifically, the first metal sheet vent hole and the second metal sheet vent hole are displaced so that a part of both vent holes overlap, The amount of sag of the electrolyte membrane in the vent hole of the first metal sheet can be reduced without performing fine processing of the vent hole on one metal sheet. That is, even if the electrolyte membrane is pressed on the vent hole of the first metal sheet, the electrolyte membrane can be held in the region where the vent hole of the second metal sheet is not provided. In the air holes, the electrolyte membrane is appropriately suppressed from sagging beyond the second metal sheet. Thereby, even if the electrolyte membrane is pressed on the vent hole of the first metal sheet due to the differential pressure between the cathode and the anode of the electrochemical hydrogen pump, the electrolyte membrane is prevented from being bent at the edge portion of the vent hole. As a result, the electrolyte membrane is less likely to break.

なお、特許文献1に記載のガス拡散層では、第1側面の凹部と第2側面の凹部が非対称であり、第1側面の凹部の一部が第2側面の凹部が形成されていない領域で塞がれているが、このガス拡散層は一体型ガス拡散層、つまり一つのシートである。このように、特許文献1では、本開示のガス拡散層のように、一体型ガス拡散層を複数積層した場合、第1側面の凹部と第2側面の凹部とが重なる一体型ガス拡散層のガス流路は、隣接する他の一体型ガス拡散層のガス流路が形成されていない領域により塞がれることはない。従って、本開示の第1の態様の電気化学式水素ポンプは、特許文献1の発明よりも、電解質膜が破断する可能性を従来よりも低減し得る。   In the gas diffusion layer described in Patent Document 1, the concave portion on the first side surface and the concave portion on the second side surface are asymmetric, and a part of the concave portion on the first side surface is not formed on the concave portion on the second side surface. Although closed, this gas diffusion layer is an integral gas diffusion layer, that is, a single sheet. As described above, in Patent Document 1, when a plurality of integrated gas diffusion layers are stacked like the gas diffusion layer of the present disclosure, the integrated gas diffusion layer in which the concave portion on the first side surface and the concave portion on the second side surface overlap each other. The gas channel is not blocked by a region where the gas channel of another adjacent integrated gas diffusion layer is not formed. Therefore, the electrochemical hydrogen pump according to the first aspect of the present disclosure can reduce the possibility that the electrolyte membrane breaks compared to the invention of Patent Document 1.

本開示の第2の態様の電気化学式水素ポンプは、第1の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、第1の金属シートの厚みは電解質膜の厚みよりも小さくてもよい。   In the electrochemical hydrogen pump according to the second aspect of the present disclosure, the thickness of the first metal sheet may be smaller than the thickness of the electrolyte membrane in the electrochemical hydrogen pump according to the first aspect.

かかる構成によると、第1の金属シートの通気孔における電解質膜の垂れ込みは第1の金属シートの厚みにより規制され、この垂れ込み量は電解質膜の厚みよりも小さい。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、両者の厚みが逆の場合に比べて第1の金属シートの通気孔における電解質膜の垂れ込み量を低減できる。これにより、電気化学式水素ポンプのカソードおよびアノード間の差圧によって、第1の金属シートの通気孔上で電解質膜が押圧されても、この通気孔のエッジ部で電解質膜が曲げられることを更に効果的に抑制できる。   According to this configuration, the sagging of the electrolyte membrane in the vent hole of the first metal sheet is regulated by the thickness of the first metal sheet, and the sagging amount is smaller than the thickness of the electrolyte membrane. Therefore, the electrochemical hydrogen pump of this aspect can reduce the amount of sag of the electrolyte membrane in the vent hole of the first metal sheet compared to the case where the thicknesses of both are opposite. Accordingly, even if the electrolyte membrane is pressed on the vent hole of the first metal sheet due to the differential pressure between the cathode and the anode of the electrochemical hydrogen pump, the electrolyte membrane is further bent at the edge portion of the vent hole. It can be effectively suppressed.

本開示の第3の態様の電気化学式水素ポンプは、第1の態様または第2の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、第1の金属シートの通気孔の開口と第2の金属シートの通気孔の開口が重なる部分の面積は、8×円周率×(電解質膜の引張り強度)×(電解質膜の厚み)/3×(電解質膜の理論破断圧力)×(3+(電解質膜のポアソン比))よりも小さくてもよい。 The electrochemical hydrogen pump according to the third aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump according to the first aspect or the second aspect, wherein the opening of the vent hole of the first metal sheet and the vent hole of the second metal sheet are provided. area of the portion where the opening overlap, 8 × pi × (tensile strength of the electrolyte membrane) × (thickness of the electrolyte membrane) 2/3 × (theoretical fracture pressure of the electrolyte membrane) × (3+ (Poisson's ratio of the electrolyte membrane) ) May be smaller.

かかる構成によると、第1の金属シートの通気孔の開口と第2の金属シートの通気孔の開口が重なる部分の面積を適切に設定することができる。   According to such a configuration, the area of the portion where the opening of the vent hole of the first metal sheet and the opening of the vent hole of the second metal sheet overlap can be appropriately set.

本開示の第4の態様の電気化学式水素ポンプは、第1の態様−第3の態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、カソードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、カソードガス拡散層において、カソード触媒層に隣接する第3の金属シートの複数の通気孔の開口の少なくとも一部が、第3の金属シートに隣接する第4の金属シートの複数の通気孔が設けられていない領域により塞がれている面積の総計は、アノードガス拡散層において、第1の金属シートの複数の通気孔の開口が、第2の金属シートの複数の通気孔が設けられていない領域により塞がれている面積の総計に比べ小さくてもよい。   The electrochemical hydrogen pump according to the fourth aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump according to any one of the first aspect to the third aspect, wherein the cathode gas diffusion layer includes a plurality of vent holes. A fourth metal comprising a laminate of metal sheets, wherein at least some of the openings of the plurality of vent holes of the third metal sheet adjacent to the cathode catalyst layer in the cathode gas diffusion layer are adjacent to the third metal sheet; The total area of the sheet that is blocked by the region where the plurality of vent holes is not provided is that, in the anode gas diffusion layer, the openings of the plurality of vent holes of the first metal sheet are the plurality of the second metal sheet. It may be smaller than the total area covered by the region where the air holes are not provided.

本開示の第5の態様の電気化学式水素ポンプは、第1の態様−第3の態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、カソードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、カソードガス拡散層において、カソード触媒層に隣接する第3の金属シートの複数の通気孔のうち、その開口の少なくとも一部が、第3の金属シートに隣接する第4の金属シートの複数の通気孔が設けられていない領域により塞がれている、第3の金属シートの通気孔の数は、アノードガス拡散層において、第1の金属シートの通気孔のうち、その開口の少なくとも一部が、第2の金属シートの複数の通気孔が設けられていない領域により塞がれている、第1の金属シートの通気孔の数に比べ少なくてもよい。   The electrochemical hydrogen pump according to the fifth aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump according to any one of the first aspect to the third aspect, wherein the cathode gas diffusion layer includes a plurality of vent holes. The cathode gas diffusion layer includes a laminate of metal sheets, and among the plurality of vent holes of the third metal sheet adjacent to the cathode catalyst layer, at least part of the opening is adjacent to the third metal sheet. The number of the vent holes of the third metal sheet, which is blocked by the region where the plurality of vent holes of the metal sheet of 4 are not provided, is the number of the vent holes of the first metal sheet in the anode gas diffusion layer. In addition, at least a part of the opening may be smaller than the number of vent holes of the first metal sheet that is blocked by a region where the plurality of vent holes of the second metal sheet are not provided.

金属シートの通気孔が塞がれているとカソードガス拡散層のガス拡散性が低下する。ここで、カソードガス拡散層は、アノードガス拡散層に比べ、電気化学式水素ポンプのカソードおよびアノード間の差圧による変形を受けにくいので、第4の態様および第5の態様の電気化学式水素ポンプを上記の如く構成することで、カソードガス拡散層をアノードガス拡散層と同様に構成する場合に比べ、カソードガス拡散層のガス拡散性の低下が軽減する。   When the ventilation hole of the metal sheet is blocked, the gas diffusibility of the cathode gas diffusion layer is lowered. Here, since the cathode gas diffusion layer is less susceptible to deformation due to the differential pressure between the cathode and anode of the electrochemical hydrogen pump than the anode gas diffusion layer, the electrochemical hydrogen pump of the fourth and fifth aspects is not used. By comprising as mentioned above, the fall of the gas diffusibility of a cathode gas diffusion layer is reduced compared with the case where a cathode gas diffusion layer is comprised similarly to an anode gas diffusion layer.

本開示の第6の態様の電気化学式水素ポンプは、第1の態様−第5の態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、複数の金属シートのうち、少なくとも1つの金属シートは、貫通孔同士を連絡する連絡路を備えてもよい。   The electrochemical hydrogen pump according to the sixth aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump according to any one of the first aspect to the fifth aspect, in which at least one of the plurality of metal sheets includes through holes. There may be provided a communication path for communicating.

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べアノードガスを均一に拡散し得る。つまり、アノードガス拡散層の積層体の金属シートが連絡路を備えることで、適宜の流路部材からアノードガス拡散層内を通過するアノードガスを一方向だけではなく、任意の方向に送ることができる。すると、連絡路の配置パターンが異なる金属シートを積層させることで、アノードガス拡散層内のアノードガス流れの向きを任意に設定できる。これにより、アノードガス拡散層のガス拡散性が向上する。   According to such a configuration, the electrochemical hydrogen pump of this aspect can diffuse the anode gas more uniformly than in the past. In other words, the metal sheet of the laminate of the anode gas diffusion layer includes a communication path, so that the anode gas passing through the anode gas diffusion layer can be sent not only in one direction but also in any direction from an appropriate flow path member. it can. Then, the direction of the anode gas flow in the anode gas diffusion layer can be arbitrarily set by laminating metal sheets having different communication path arrangement patterns. Thereby, the gas diffusibility of the anode gas diffusion layer is improved.

また、例えば、適宜の流路部材のガス流路を通じてアノードガス拡散層の積層体の貫通孔にアノードガスを流入させる構成を取る場合、この積層体が上記の連絡路を備えないと、流路部材のガス流路が設けられていない部分の垂直線上に位置するアノードガス拡散層の積層体の貫通孔にはアノードガスが流れずに、アノードガス拡散層のガス拡散が不均一化する恐れがある。しかし、本態様の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層では、上記の連絡路を介して、このようなアノードガス拡散層の積層体の貫通孔にもアノードガスを流すことができるので、アノードガス拡散層のガス拡散が不均一化することを抑制できる。   Further, for example, in the case of adopting a configuration in which the anode gas is allowed to flow into the through hole of the laminate of the anode gas diffusion layer through the gas flow path of an appropriate flow path member, There is a risk that the anode gas does not flow into the through hole of the laminate of the anode gas diffusion layer located on the vertical line of the part where the gas flow path of the member is not provided, and the gas diffusion of the anode gas diffusion layer may become non-uniform. is there. However, in the anode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to this aspect, the anode gas can also flow through the through-holes of the laminate of the anode gas diffusion layer via the communication path. It is possible to suppress non-uniform gas diffusion in the diffusion layer.

また、本開示の第7の態様の電気化学式水素ポンプは、第6の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、上記の連絡路は、連絡路が設けられた金属シートに隣り合う同一の金属シートに設けられた貫通孔同士を連絡してもよい。   The electrochemical hydrogen pump according to the seventh aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump according to the sixth aspect, wherein the communication path is provided in the same metal sheet adjacent to the metal sheet provided with the communication path. The formed through holes may be communicated with each other.

また、本開示の第8の態様の電気化学式水素ポンプは、第6の態様または第7の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、上記の連絡路は、連絡路が設けられた金属シートに隣り合う異なる金属シートに設けられた貫通孔同士を連絡してもよい。   The electrochemical hydrogen pump according to the eighth aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump according to the sixth aspect or the seventh aspect, wherein the communication path is adjacent to the metal sheet provided with the communication path. You may connect the through-holes provided in the metal sheet.

アノードガス拡散層の積層体が、以上の連絡路を備えることで、積層体内を通過するアノードガスを、積層体を貫通する方向だけではなく、積層体の主面と平行な方向にも送ることができる。よって、アノードガス拡散層のガス拡散性が向上する。   The laminate of the anode gas diffusion layer is provided with the above communication path, so that the anode gas passing through the laminate is sent not only in the direction penetrating the laminate but also in the direction parallel to the main surface of the laminate. Can do. Therefore, the gas diffusibility of the anode gas diffusion layer is improved.

また、本開示の第9の態様の電気化学式水素ポンプは、第1の態様−第8の態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層の積層体は、ガスを拡散させる金属焼結体の金属シートを含んでもよい。   Further, the electrochemical hydrogen pump according to the ninth aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump according to any one of the first aspect to the eighth aspect, in which the laminate of the anode gas diffusion layer is a metal firing that diffuses gas. It may also include a bonded metal sheet.

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層の積層体が金属焼結体の金属シートを備えることで、積層体が、金属焼結体の金属シートを備えずに、通気孔が設けられた複数の金属鋼板で構成される場合に比べて、アノードガス拡散層に必要なガス通気性およびガス拡散性を確保しやすくなる。   According to such a configuration, the electrochemical hydrogen pump according to this aspect includes the anode gas diffusion layer stack including the metal sheet of the metal sintered body, and the stack does not include the metal sheet of the metal sintered body. Compared with the case of a plurality of metal steel plates provided with ventilation holes, it is easier to ensure the gas permeability and gas diffusion properties required for the anode gas diffusion layer.

以下、添付図面を参照しつつ、本開示の上記の各態様の具体例について説明する。以下で説明する具体例は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、本態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。   Hereinafter, specific examples of the above aspects of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. Each of the specific examples described below shows an example of each of the above aspects. Therefore, the shapes, materials, constituent elements, arrangement positions of the constituent elements, connection forms, and the like shown below do not limit each of the above aspects unless otherwise stated in the claims. In addition, among the following constituent elements, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept of this aspect are described as optional constituent elements. In the drawings, the same reference numerals are sometimes omitted. In addition, the drawings schematically show each component for easy understanding, and there are cases where the shape and dimensional ratio are not accurately displayed.

(第1実施形態)
[装置構成]
図2は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
(First embodiment)
[Device configuration]
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment.

電気化学式水素ポンプ16は、膜電極接合体15(以下、MEA15)と、第1プレート1Aと、第2プレート1Cと、電圧印加器13と、を備える。MEA15は、電解質膜4と、カソード触媒層3Cと、アノード触媒層3Aと、カソードガス拡散層2Cと、アノードガス拡散層2Aと、を備え、これらの各層が積層状態で接合されている。   The electrochemical hydrogen pump 16 includes a membrane electrode assembly 15 (hereinafter referred to as MEA 15), a first plate 1A, a second plate 1C, and a voltage applicator 13. The MEA 15 includes an electrolyte membrane 4, a cathode catalyst layer 3C, an anode catalyst layer 3A, a cathode gas diffusion layer 2C, and an anode gas diffusion layer 2A, and these layers are joined in a stacked state.

電解質膜4は、一対の主面を備える。また、電解質膜4は、プロトン(H)を透過可能なプロトン伝導性高分子膜である。電解質膜4はプロトン伝導性高分子膜であれば、どのような膜であってもよい。例えば、電解質膜4として、フッ素系高分子電解質膜などを挙げることができる。具体的には、電解質膜4として、例えば、Nafion(登録商標、デュポン社製)、Aciplex(商品名、旭化成株式会社製)などを用いることができる。 The electrolyte membrane 4 includes a pair of main surfaces. The electrolyte membrane 4 is a proton conductive polymer membrane that can transmit protons (H + ). The electrolyte membrane 4 may be any membrane as long as it is a proton conductive polymer membrane. For example, examples of the electrolyte membrane 4 include a fluorine-based polymer electrolyte membrane. Specifically, as the electrolyte membrane 4, for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) or the like can be used.

カソード触媒層3Cは、電解質膜4の一方の主面に設けられている。カソード触媒層3Cは、例えば、触媒金属として白金を含むが、これに限定されない。   The cathode catalyst layer 3 </ b> C is provided on one main surface of the electrolyte membrane 4. The cathode catalyst layer 3C includes, for example, platinum as a catalyst metal, but is not limited thereto.

アノード触媒層3Aは、電解質膜4の他方の主面に設けられている。アノード触媒層3Aは、例えば、触媒金属としてRuIrFeOxを含むが、これに限定されない。   The anode catalyst layer 3 </ b> A is provided on the other main surface of the electrolyte membrane 4. The anode catalyst layer 3A includes, for example, RuIrFeOx as a catalyst metal, but is not limited thereto.

なお、カソード触媒層3Cもアノード触媒層3Aも、触媒の調製方法としては、種々の方法を挙げることができるので、特に限定されない。例えば、触媒の担体としては、導電性多孔質物質粉末、炭素系粉末などを挙げることができる。炭素系粉末としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、電気導電性を有する活性炭などの粉末を挙げることができる。カーボンなどの担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。後者の液相混合としては、例えば、触媒成分コロイド液にカーボンなどの担体を分散させ、吸着させる方法などが挙げられる。また、必要に応じて活性酸素除去材を担体として、白金若しくは他の触媒金属を上記と同様の方法で担持することができる。白金などの触媒金属の担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。   The cathode catalyst layer 3C and the anode catalyst layer 3A are not particularly limited because various methods can be used as the catalyst preparation method. For example, examples of the catalyst carrier include conductive porous material powder and carbon-based powder. Examples of the carbon-based powder include powders such as graphite, carbon black, and activated carbon having electrical conductivity. The method for supporting platinum or other catalytic metals on a carrier such as carbon is not particularly limited. For example, a method such as powder mixing or liquid phase mixing may be used. Examples of the latter liquid phase mixing include a method of dispersing and adsorbing a carrier such as carbon in a catalyst component colloid liquid. If necessary, platinum or other catalytic metals can be supported in the same manner as described above using the active oxygen removing material as a carrier. The state of the catalyst metal such as platinum supported on the carrier is not particularly limited. For example, the catalyst metal may be finely divided and supported on the carrier with high dispersion.

カソードガス拡散層2Cは、カソード触媒層3Cに設けられている。カソードガス拡散層2Cとしては、例えば、高弾性の黒鉛化炭素繊維、またはチタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施した多孔質体などで構成されていてもよく、ペーパー状にしたものを用いることができる。なお、前者の黒鉛化炭素繊維を用いる場合、炭素繊維を、例えば、2000℃以上で熱処理すると黒鉛結晶が発達し黒鉛繊維に変化する。また、カソードガス拡散層2Cは、例えば、複数の金属シートの積層体で構成されていてもよい。金属シートの積層体の具体的な構成は第2変形例で説明する。   The cathode gas diffusion layer 2C is provided on the cathode catalyst layer 3C. The cathode gas diffusion layer 2C may be composed of, for example, a highly elastic graphitized carbon fiber, or a porous body in which the surface of a titanium powder sintered body is subjected to platinum plating, or a paper-like one. Can be used. When the former graphitized carbon fiber is used, when the carbon fiber is heat-treated at, for example, 2000 ° C. or more, graphite crystals develop and change to graphite fibers. Further, the cathode gas diffusion layer 2C may be constituted by, for example, a laminate of a plurality of metal sheets. A specific configuration of the metal sheet laminate will be described in a second modification.

アノードガス拡散層2Aは、アノード触媒層3Aに設けられている。アノードガス拡散層2Aは、電気化学式水素ポンプ16のカソードおよびアノード間の差圧による電解質膜4の押し付けに耐え得る程度の剛性が必要である。アノードガス拡散層2Aは、本差圧による電解質膜4の押し付けに耐え得る程度の剛性があれば、どのような構成であってもよい。アノードガス拡散層2Aは、例えば、複数の金属シートの積層体で構成され、その具体的な構成は後で説明する。   The anode gas diffusion layer 2A is provided on the anode catalyst layer 3A. The anode gas diffusion layer 2A needs to be rigid enough to withstand the pressing of the electrolyte membrane 4 due to the differential pressure between the cathode and anode of the electrochemical hydrogen pump 16. The anode gas diffusion layer 2A may have any configuration as long as the anode gas diffusion layer 2A has sufficient rigidity to withstand the pressing of the electrolyte membrane 4 due to the differential pressure. The anode gas diffusion layer 2A is composed of, for example, a laminate of a plurality of metal sheets, and the specific configuration will be described later.

第1プレート1A(セパレータ板)は、アノードガスが流れるガス流路14Aが設けられている。つまり、第1プレート1Aは、アノードガス拡散層2Aにアノードガスを供給するための部材である。具体的には、第1プレート1Aは、平面視において、例えば、図示しないマニホルドに連通するサーペンタイン状のガス流路14Aが形成されており、このガス流路14Aの形成領域がアノードガス拡散層2Aの主面に当接するように配されている。   The first plate 1A (separator plate) is provided with a gas flow path 14A through which anode gas flows. That is, the first plate 1A is a member for supplying the anode gas to the anode gas diffusion layer 2A. Specifically, the first plate 1A has, for example, a serpentine-shaped gas flow path 14A communicating with a manifold (not shown) in plan view, and the formation region of the gas flow path 14A is the anode gas diffusion layer 2A. It arrange | positions so that it may contact | abut to the main surface.

なお、電解質膜4は、乾燥すると膜抵抗(IR損失)、水素がプロトンと電子に解離する際の反応抵抗(反応過電圧)が大きくなるだけでなく、破れ易くなる可能性があるので、アノードガスは、少なくとも水素ガスおよび水分子(水蒸気)を含む。アノードガスとして、例えば、水素含有の改質ガス、水電解法で生成される水素含有ガスなどを挙げることができる。   Since the electrolyte membrane 4 not only has a high membrane resistance (IR loss) and a reaction resistance (reaction overvoltage) when hydrogen is dissociated into protons and electrons when dried, the electrolyte membrane 4 may be easily broken. Includes at least hydrogen gas and water molecules (water vapor). Examples of the anode gas include a hydrogen-containing reformed gas and a hydrogen-containing gas generated by a water electrolysis method.

第2プレート1C(セパレータ板)は、カソードガスが流れるガス流路14Cが設けられている。つまり、第2プレート1Cのガス流路14Cには、カソードガス拡散層2Cからのカソードガスが流れている。具体的には、第2プレート1Cは、平面視において、例えば、図示しないマニホルドに連通するサーペンタイン状のガス流路14Cが形成されており、このガス流路14Cの形成領域がカソードガス拡散層2Cの主面に当接するように配されている。カソードガスとして、例えば、高純度の水素ガスなどを挙げることができる。   The second plate 1C (separator plate) is provided with a gas flow path 14C through which the cathode gas flows. That is, the cathode gas from the cathode gas diffusion layer 2C flows through the gas flow path 14C of the second plate 1C. Specifically, the second plate 1C has, for example, a serpentine-shaped gas flow path 14C communicating with a manifold (not shown) in a plan view, and a region where the gas flow path 14C is formed is a cathode gas diffusion layer 2C. It arrange | positions so that it may contact | abut to the main surface. Examples of the cathode gas include high-purity hydrogen gas.

そして、MEA15の上下面をそれぞれ、第1プレート1Aおよび第2プレート1Cで挟持することにより電気化学式水素ポンプ16の単セルが構成されている。   A single cell of the electrochemical hydrogen pump 16 is configured by sandwiching the upper and lower surfaces of the MEA 15 with the first plate 1A and the second plate 1C, respectively.

電圧印加器13は、カソード触媒層3Cおよびアノード触媒層3Aの間に電圧を印加する。具体的には、電圧印加器13の高電位側端子は、導電性の第1プレート1Aに接続され、電圧印加器13の低電位側端子が、導電性の第2プレート1Cに接続されている。電圧印加器13は、カソード触媒層3Cおよびアノード触媒層3Aの間に電圧を印加できれば、どのような構成であってもよい。   The voltage applicator 13 applies a voltage between the cathode catalyst layer 3C and the anode catalyst layer 3A. Specifically, the high potential side terminal of the voltage applicator 13 is connected to the conductive first plate 1A, and the low potential side terminal of the voltage applicator 13 is connected to the conductive second plate 1C. . The voltage applicator 13 may have any configuration as long as a voltage can be applied between the cathode catalyst layer 3C and the anode catalyst layer 3A.

ここで、カソードガス拡散層2Cおよびアノードガス拡散層2Aはそれぞれ、MEA15のカソードおよびアノードにおける給電体である。つまり、カソードガス拡散層2Cおよびアノードガス拡散層2Aは、第1プレート1Aおよび第2プレート1Cと、カソード触媒層3Cおよびアノード触媒層3Aとの間を通電する役割を備える。   Here, the cathode gas diffusion layer 2 </ b> C and the anode gas diffusion layer 2 </ b> A are power feeding bodies in the cathode and anode of the MEA 15, respectively. That is, the cathode gas diffusion layer 2C and the anode gas diffusion layer 2A have a role of energizing between the first plate 1A and the second plate 1C and the cathode catalyst layer 3C and the anode catalyst layer 3A.

また、カソードガス拡散層2Cおよびアノードガス拡散層2Aは、第1プレート1Aのガス流路14Aおよび第2プレート1Cのガス流路14Cと、カソード触媒層3Cおよびアノード触媒層3Aとの間でガスを拡散させる役割も備える。例えば、第1プレート1Aのガス流路14Aを流れるアノードガスは、アノードガス拡散層2Aを通じてアノード触媒層3Aの表面へと拡散する。   The cathode gas diffusion layer 2C and the anode gas diffusion layer 2A are gasses between the gas flow path 14A of the first plate 1A and the gas flow path 14C of the second plate 1C, and the cathode catalyst layer 3C and the anode catalyst layer 3A. It also has the role of spreading. For example, the anode gas flowing through the gas flow path 14A of the first plate 1A diffuses to the surface of the anode catalyst layer 3A through the anode gas diffusion layer 2A.

なお、必要に応じて、電気化学式水素ポンプ16の単セルに冷却器などが設けられ、2セル以上に積層することで、複数の単セルからなるスタックを構成しても構わない。   If necessary, a single cell of the electrochemical hydrogen pump 16 may be provided with a cooler or the like, and a stack composed of a plurality of single cells may be configured by stacking two or more cells.

図2に示すように、電気化学式水素ポンプ16は、アノード室8とカソード室7とを備える。   As shown in FIG. 2, the electrochemical hydrogen pump 16 includes an anode chamber 8 and a cathode chamber 7.

アノード室8の内部は、アノード入口配管11と連通するとともに、図示しない流体流路(例えば、配管、マニホールドなど)を介して第1プレート1Aのガス流路14Aとも連通している。これにより、アノード入口配管11を流れるアノードガスは、アノード室8内に流入した後、第1プレート1Aのガス流路14Aへと供給される。   The inside of the anode chamber 8 communicates with the anode inlet pipe 11 and also communicates with the gas flow path 14A of the first plate 1A via a fluid flow path (for example, a pipe, a manifold, etc.) not shown. Thus, the anode gas flowing through the anode inlet pipe 11 flows into the anode chamber 8 and is then supplied to the gas flow path 14A of the first plate 1A.

カソード室7の内部は、カソード出口配管12と連通するとともに、図示しない流体流路(例えば、配管、マニホールドなど)を介して第2プレート1Cのガス流路14Cとも連通している。これにより、MEA15を通過したカソードガス(水素ガス)は、第2プレート1Cのガス流路14Cを流れて、カソード室7内に流入した後、カソード出口配管12へと供給される。なお、カソード出口配管12には、開閉弁9(例えば、電磁弁など)が設けられており、開閉弁9を適時に開閉することで、カソードガスが、高圧水素タンク10内に貯えられる。そして、このようなカソードガスは、図示しない水素利用機器(例えば、燃料電池)の燃料などに使用される。   The inside of the cathode chamber 7 communicates with the cathode outlet pipe 12 and also communicates with the gas flow path 14C of the second plate 1C via a fluid flow path (for example, a pipe, a manifold, etc.) not shown. Thus, the cathode gas (hydrogen gas) that has passed through the MEA 15 flows through the gas flow path 14C of the second plate 1C, flows into the cathode chamber 7, and then is supplied to the cathode outlet pipe 12. The cathode outlet pipe 12 is provided with an on-off valve 9 (for example, an electromagnetic valve), and the cathode gas is stored in the high-pressure hydrogen tank 10 by opening and closing the on-off valve 9 in a timely manner. And such cathode gas is used for the fuel of the hydrogen utilization apparatus (for example, fuel cell) which is not illustrated.

[アノードガス拡散層の構成]
図3は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を示す図である。図3(a)には、アノードガス拡散層2Aを斜視した図が示されている。図3(b)には、アノードガス拡散層2Aのガス拡散部50の一部の領域100を平面視した図が示されている。図3(c)には、アノードガス拡散層2Aのガス拡散部50の領域100内のC−C部の断面が、電解質膜4とともに示されている。
[Configuration of anode gas diffusion layer]
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an anode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment. FIG. 3A shows a perspective view of the anode gas diffusion layer 2A. FIG. 3B shows a plan view of a partial region 100 of the gas diffusion portion 50 of the anode gas diffusion layer 2A. In FIG. 3C, a cross section of the CC portion in the region 100 of the gas diffusion portion 50 of the anode gas diffusion layer 2 </ b> A is shown together with the electrolyte membrane 4.

図3(a)に示すように、アノードガス拡散層2Aは、複数の通気孔(図3(a)では図示せず)が設けられた、複数の金属シート22の積層体20を備える。なお、図3(a)では、複数の金属シート22が分離状態で図示されているが、実際は、金属シート22は積層されている。そして、例えば、金属シート22が、溶接、溶着またはロウ付けなどで一体的に接合されていてもよい。この場合、積層状態の金属シート22の主面は、拡散接合などにより面接合が行われていてもよい。   As shown in FIG. 3A, the anode gas diffusion layer 2A includes a laminate 20 of a plurality of metal sheets 22 provided with a plurality of vent holes (not shown in FIG. 3A). In FIG. 3A, the plurality of metal sheets 22 are illustrated in a separated state, but in reality, the metal sheets 22 are laminated. For example, the metal sheet 22 may be integrally joined by welding, welding, brazing, or the like. In this case, the main surface of the laminated metal sheet 22 may be surface bonded by diffusion bonding or the like.

金属シート22は、通気孔以外の部分は、ガス通気性を備えないように構成されている。例えば、金属シート22は、厚みが数十μm〜数百μm程度(例えば、約100μm程度)の金属鋼板であってもよいが、これに限定されない。この金属シート22は、例えば、金属の鋳造および圧延を行うことで製造し得る。金属の鋳造および圧延の製法は公知であるので詳細な説明を省略する。   The metal sheet 22 is configured such that portions other than the air holes do not have gas permeability. For example, the metal sheet 22 may be a metal steel plate having a thickness of about several tens of μm to several hundreds of μm (for example, about 100 μm), but is not limited thereto. The metal sheet 22 can be manufactured, for example, by performing metal casting and rolling. Since the metal casting and rolling processes are known, a detailed description is omitted.

ここで、図3(b)および図3(c)に示すように、アノードガス拡散層2Aにおいて、アノード触媒層3Aに隣接する第1の金属シート22Fの複数の通気孔25Fの配設位置と第1の金属シート22Fに隣接する第2の金属シート22Sの複数の通気孔25Sの配設位置とがずれている。また、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの開口の一部は、第2の金属シート22Sの通気孔25Sの開口と重なっている。また、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの開口の残りの部分は、第2の金属シート22Sの通気孔25Sが設けられていない領域により塞がれている。   Here, as shown in FIGS. 3B and 3C, in the anode gas diffusion layer 2A, the arrangement positions of the plurality of vent holes 25F of the first metal sheet 22F adjacent to the anode catalyst layer 3A The arrangement positions of the plurality of vent holes 25S of the second metal sheet 22S adjacent to the first metal sheet 22F are shifted. Further, a part of the opening of the vent hole 25F of the first metal sheet 22F overlaps with the opening of the vent hole 25S of the second metal sheet 22S. Further, the remaining portion of the opening of the vent hole 25F of the first metal sheet 22F is closed by a region where the vent hole 25S of the second metal sheet 22S is not provided.

第1の金属シート22Fには、例えば、複数の通気孔25Fが、縦および横に等間隔ピッチで形成されていてもよい。そして、通気孔25Fの縦方向に隣接する通気孔25Fの横方向の並びにおいて、通気孔25Fの横方向の位置が、横方向に隣接する通気孔25Fの間隔Lの1/2だけ、ずれていてもよい。通気孔25Fの形状は、どのような形状でも構わない。通気孔25Fは、例えば、直径が数十μm程度の丸孔であってもよい。第1の金属シート22Fの材質として、例えば、ステンレスまたはチタンなどを用いることができるが、これに限定されない。   In the first metal sheet 22F, for example, a plurality of vent holes 25F may be formed at equal intervals in the vertical and horizontal directions. In the horizontal arrangement of the vent holes 25F adjacent to the vertical direction of the vent holes 25F, the horizontal position of the vent holes 25F is shifted by 1/2 of the interval L between the vent holes 25F adjacent in the horizontal direction. May be. The shape of the vent hole 25F may be any shape. The vent hole 25F may be a round hole having a diameter of about several tens of μm, for example. As a material of the first metal sheet 22F, for example, stainless steel or titanium can be used, but is not limited thereto.

また、第2の金属シート22Sには、複数の通気孔25Sが、通気孔25Fと同じ間隔のピッチで縦および横に形成されていてもよい。そして、通気孔25Sの縦方向に隣接する通気孔25Sの横方向の並びにおいては、通気孔25Sの横方向の位置が、横方向に隣接する通気孔25Sの間隔Lの1/2だけ、ずれていてもよい。通気孔25Sの形状は、どのような形状でも構わない。通気孔25Sは、例えば、直径が数十μm程度の丸孔であってもよい。通気孔25Fの直径と通気孔25Sの直径とが等しくてもよい。第2の金属シート22Sの材質として、例えば、ステンレスまたはチタンなどを用いることができるが、これに限定されない。   The second metal sheet 22S may be formed with a plurality of vent holes 25S vertically and horizontally at the same pitch as the vent holes 25F. In the horizontal arrangement of the vent holes 25S adjacent in the vertical direction of the vent holes 25S, the horizontal position of the vent holes 25S is shifted by 1/2 of the interval L between the vent holes 25S adjacent in the horizontal direction. It may be. The shape of the vent 25S may be any shape. The vent hole 25S may be a round hole having a diameter of about several tens of μm, for example. The diameter of the vent hole 25F may be equal to the diameter of the vent hole 25S. As a material of the second metal sheet 22S, for example, stainless steel or titanium can be used, but is not limited thereto.

本実施形態の電気化学式水素ポンプ16では、以上の第1の金属シート22Fと第2の金属シート22Sとを積層する場合、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの配設位置と第2の金属シート22Sの通気孔25Sの配設位置とが、第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22Sの主面と平行かつ横方向に、両者の通気孔25Fおよび通気孔25Sの一部が重なり合うようにずれている。   In the electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment, when the first metal sheet 22F and the second metal sheet 22S are stacked, the position of the vent hole 25F of the first metal sheet 22F and the second position are arranged. The positions of the air holes 25S in the metal sheet 22S are parallel to the main surfaces of the first metal sheet 22F and the second metal sheet 22S, and a part of both the air holes 25F and 25S It is shifted so as to overlap.

これにより、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの開口と第2の金属シート22Sの通気孔25Sの開口が重なる部分27A(図3(b)のドット部)が、平面視において、第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22Sの葉形状の通気空間として形成されている。   As a result, a portion 27A (dot portion in FIG. 3B) where the opening of the vent hole 25F of the first metal sheet 22F and the opening of the vent hole 25S of the second metal sheet 22S overlap each other in plan view is the first. The metal sheet 22F and the second metal sheet 22S are formed as leaf-shaped ventilation spaces.

電気化学式水素ポンプ16の運転中(動作中)は、カソードおよびアノード間の差圧によって、電解質膜4が第1の金属シート22Fの通気孔25F上で押圧されるので、電解質膜4は、図3(c)に示すように、この通気孔25Fで凹状に垂れる。しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ16では、電解質膜4は、第2の金属シート22Sの通気孔25Sが設けられていない領域で保持されるとともに、第1の金属シート22Fの厚みYは電解質膜4の厚みXよりも小さい。よって、第1の金属シート22Fの通気孔25Fにおける電解質膜4の垂れ込みが第1の金属シート22Fの厚みYにより規制され、この垂れ込み量は、電解質膜4の厚みXよりも小さい。   During operation (operation) of the electrochemical hydrogen pump 16, the electrolyte membrane 4 is pressed on the vent hole 25F of the first metal sheet 22F by the differential pressure between the cathode and the anode. As shown in FIG. 3 (c), the air hole 25F hangs in a concave shape. However, in the electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment, the electrolyte membrane 4 is held in a region where the vent holes 25S of the second metal sheet 22S are not provided, and the thickness Y of the first metal sheet 22F is It is smaller than the thickness X of the electrolyte membrane 4. Therefore, the sagging of the electrolyte membrane 4 in the vent hole 25F of the first metal sheet 22F is regulated by the thickness Y of the first metal sheet 22F, and the sagging amount is smaller than the thickness X of the electrolyte membrane 4.

なお、上記の重なる部分27Aは、通気孔25Fおよび通気孔25Sの一部が重なり合う通気空間として形成されていれば、どのような形状であってもよい。本例では、円形状の通気孔25Fの一部および円形状の通気孔25Sの一部が互いに重なり合うことで、平面視において、葉形状の通気空間が形成されているが、これに限らない。例えば、長円形状の通気孔の長手方向の端部同士が重なり合うことで、平面視において、円形状の通気空間が形成されていてもよい。   The overlapping portion 27A may have any shape as long as it is formed as a ventilation space where a part of the ventilation hole 25F and the ventilation hole 25S overlap. In this example, a part of the circular vent hole 25F and a part of the circular vent hole 25S overlap each other to form a leaf-shaped vent space in plan view, but the present invention is not limited to this. For example, a circular ventilation space may be formed in plan view by overlapping the ends of the elliptical ventilation holes in the longitudinal direction.

このような重なる部分27Aの大きさ(面積)の設定方法については実施例で説明する。また、第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22S以外の積層体20の金属シート22の構成については第2実施形態で説明する。   A method for setting the size (area) of the overlapping portion 27A will be described in an embodiment. The configuration of the metal sheet 22 of the laminate 20 other than the first metal sheet 22F and the second metal sheet 22S will be described in the second embodiment.

なお、以上の第1の金属シート22Fの通気孔25Fおよび第2の金属シート22Sの通気孔25Sの形状、配置および寸法などは例示であって、本例に限定されない。   In addition, the shape, arrangement | positioning, dimension, etc. of the ventilation hole 25F of the above 1st metal sheet 22F and the ventilation hole 25S of the 2nd metal sheet 22S are illustrations, Comprising: It is not limited to this example.

[動作]
以下、実施形態の電気化学式水素ポンプの動作について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の動作の一部または全部は、図示しない制御器の制御プログラムにより行われても構わない。制御器は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、MPU、CPUなどが例示される。記憶回路として、例えば、メモリが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
[Operation]
Hereinafter, the operation of the electrochemical hydrogen pump of the embodiment will be described with reference to the drawings. Part or all of the following operations may be performed by a control program of a controller (not shown). The controller may have any configuration as long as it has a control function. The controller includes, for example, an arithmetic circuit and a storage circuit that stores a control program. Examples of the arithmetic circuit include an MPU and a CPU. An example of the memory circuit is a memory. The controller may be composed of a single controller that performs centralized control, or may be composed of a plurality of controllers that perform distributed control in cooperation with each other.

まず、電圧印加器13により、MEA15のアノードとカソードの間に電圧を印加する。   First, a voltage is applied between the anode and cathode of the MEA 15 by the voltage applicator 13.

次に、アノード入口配管11を通じて、アノードガスをアノード室8に供給すると、アノードガス中の水素は、アノード上で電子を遊離してプロトン(H)となる(式(1))。遊離した電子は、電圧印加器13を介してカソードへと移動する。 Next, when anode gas is supplied to the anode chamber 8 through the anode inlet pipe 11, hydrogen in the anode gas releases electrons on the anode and becomes protons (H + ) (formula (1)). The liberated electrons move to the cathode via the voltage applicator 13.

一方、プロトンは、水分子を同伴しながら電解質膜4内を透過し、カソードに触れる。カソードでは、電解質膜4を透過したプロトンと、カソードガス拡散層2Cからの電子とによる還元反応が行われ、カソードガス(水素ガス)が生成される(式(2))。   On the other hand, protons permeate the electrolyte membrane 4 with water molecules and touch the cathode. At the cathode, a reduction reaction is performed by protons that have permeated through the electrolyte membrane 4 and electrons from the cathode gas diffusion layer 2C to generate cathode gas (hydrogen gas) (formula (2)).

これにより、COガスなどの不純物を含むアノードガスから高効率にガスの純化が行われる。つまり、COガスなどの不純物は、MEA15において除去される。なお、アノードガスには、不純物としてCOガスを含有する場合がある。この場合、COガスは、アノード触媒層3Aなどの触媒活性を低下させるので、COガスは、図示しないCO除去器(例えば、変成器、CO選択酸化器など)で除去する方がよい。 Thereby, gas purification is performed with high efficiency from the anode gas containing impurities such as CO 2 gas. That is, impurities such as CO 2 gas are removed in the MEA 15. The anode gas sometimes contains CO gas as an impurity. In this case, since CO gas reduces the catalytic activity of the anode catalyst layer 3A and the like, it is better to remove the CO gas with a CO remover (not shown) (for example, a converter, a CO selective oxidizer, etc.).

そして、開閉弁9が閉止される場合、カソード室7内のカソードガスの圧力が上昇し、カソードのガス圧が高圧になる。具体的には、アノードのガス圧P1、カソードのガス圧P2および電圧印加器13の電圧Eの関係は、以下の式(3)で定式化される。   When the on-off valve 9 is closed, the pressure of the cathode gas in the cathode chamber 7 increases and the gas pressure at the cathode becomes high. Specifically, the relationship among the anode gas pressure P1, the cathode gas pressure P2, and the voltage E of the voltage applicator 13 is formulated by the following equation (3).

アノード:H(低圧)→2H+2e ・・・(1)
カソード:2H+2e→H(高圧) ・・・(2)
E=(RT/2F)ln(P2/P1)+ir・・・(3)
式(3)において、Rは気体定数(8.3145J/K・mol)、TはMEA15の温度(K)、Fはファラデー定数(96485C/mol)、P2はカソードのガス圧、P1はアノードのガス圧、iは電流密度(A/cm)、rはセル抵抗(Ω・cm)である。
Anode: H 2 (low pressure) → 2H + + 2e (1)
Cathode: 2H + + 2e → H 2 (high pressure) (2)
E = (RT / 2F) ln (P2 / P1) + ir (3)
In Equation (3), R is a gas constant (8.3145 J / K · mol), T is the temperature (K) of MEA 15, F is a Faraday constant (96485 C / mol), P2 is the gas pressure at the cathode, and P1 is the anode pressure. Gas pressure, i is current density (A / cm 2 ), and r is cell resistance (Ω · cm 2 ).

式(3)から、電圧印加器13の電圧Eを上げることで、カソードのガス圧P2を上昇し得ることが容易に理解できる。   From equation (3), it can be easily understood that the cathode gas pressure P2 can be increased by increasing the voltage E of the voltage applicator 13.

よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ16では、開閉弁9を閉止し、電圧印加器13の電圧Eを上げることで、カソード室7内のカソードのガス圧を上昇させる。そして、カソードのガス圧が所定圧以上になると、開閉弁9を開けることで、カソード室7内のカソードガスが、カソード出口配管12を通じて高圧水素タンク10へ充填される。一方、カソード室7内のカソードのガス圧が所定圧力未満になると、開閉弁9を閉めることで、カソード室7と高圧水素タンク10とが遮断される。このため、高圧水素タンク10のカソードガスがカソード室7に逆流することが抑制される。   Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment, the gas pressure at the cathode in the cathode chamber 7 is increased by closing the on-off valve 9 and increasing the voltage E of the voltage applicator 13. When the gas pressure at the cathode reaches a predetermined pressure or higher, the high-pressure hydrogen tank 10 is filled with the cathode gas in the cathode chamber 7 through the cathode outlet pipe 12 by opening the on-off valve 9. On the other hand, when the gas pressure of the cathode in the cathode chamber 7 becomes lower than a predetermined pressure, the cathode chamber 7 and the high-pressure hydrogen tank 10 are shut off by closing the on-off valve 9. For this reason, the cathode gas in the high-pressure hydrogen tank 10 is prevented from flowing back into the cathode chamber 7.

このようにして、電気化学式水素ポンプ16により、カソードガス(水素ガス)が、所望の目標圧力に昇圧され、高圧水素タンク10へ充填される。   In this way, the electrochemical hydrogen pump 16 raises the cathode gas (hydrogen gas) to a desired target pressure and fills the high-pressure hydrogen tank 10.

そして、このとき、電気化学式水素ポンプ16のカソードおよびアノード間の差圧が生じ、本差圧によって電解質膜4がアノードガス拡散層2Aに押圧されるが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ16は、上記の差圧によってアノードガス拡散層2Aに押圧された電解質膜4が破断する可能性を従来よりも低減し得る。   At this time, a differential pressure between the cathode and the anode of the electrochemical hydrogen pump 16 is generated, and the electrolyte membrane 4 is pressed against the anode gas diffusion layer 2A by this differential pressure. The electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment is The possibility that the electrolyte membrane 4 pressed against the anode gas diffusion layer 2A by the above-described differential pressure is broken can be reduced as compared with the conventional case.

具体的には、図3(b)および図3(c)に示すように、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの配設位置と第2の金属シート22Sの通気孔25Sの配設位置とは、両者の通気孔25Fおよび通気孔25Sの一部が重なり合うようにずれているので、第1の金属シート22Fに対して通気孔の微細加工を行わずに、第1の金属シート22Fの通気孔25Fにおける電解質膜4の垂れ込み量を低減できる。つまり、図3(c)に示すように、電解質膜4が第1の金属シート22Fの通気孔25F上で押圧されても、第2の金属シート22Sの通気孔25Sが設けられていない領域で電解質膜4を保持することができるので、第1の金属シート22Fの通気孔25Fにおいて、電解質膜4が第2の金属シート22Sを超えて垂れ込むことが適切に抑制される。これにより、電気化学式水素ポンプ16のカソードおよびアノード間の差圧によって、第1の金属シート22Fの通気孔25F上で電解質膜4が押圧されても、この通気孔25Fのエッジ部25Eで電解質膜4が曲げられることを抑制できるので、電解質膜4が破断しにくくなる。   Specifically, as shown in FIG. 3B and FIG. 3C, the arrangement position of the vent hole 25F of the first metal sheet 22F and the arrangement position of the vent hole 25S of the second metal sheet 22S. Means that the vent holes 25F and the vent holes 25S are partially displaced so that they overlap each other, so that the first metal sheet 22F is not subjected to microfabrication of the first metal sheet 22F. The amount of sag of the electrolyte membrane 4 in the vent hole 25F can be reduced. That is, as shown in FIG. 3C, even when the electrolyte membrane 4 is pressed on the vent hole 25F of the first metal sheet 22F, the vent hole 25S of the second metal sheet 22S is not provided. Since the electrolyte membrane 4 can be held, the electrolyte membrane 4 is appropriately suppressed from sagging beyond the second metal sheet 22S in the vent hole 25F of the first metal sheet 22F. Thus, even if the electrolyte membrane 4 is pressed on the vent hole 25F of the first metal sheet 22F due to the differential pressure between the cathode and the anode of the electrochemical hydrogen pump 16, the electrolyte membrane is formed at the edge portion 25E of the vent hole 25F. Since the bending of 4 can be suppressed, the electrolyte membrane 4 is hardly broken.

また、電解質膜4は、第2の金属シート22Sの通気孔25Sが設けられていない領域で保持されるとともに、第1の金属シート22Fの厚みYが電解質膜4の厚みXよりも小さい。このため、第1の金属シート22Fの通気孔25Fにおける電解質膜4の垂れ込みが第1の金属シート22Fの厚みYにより規制され、この垂れ込み量は電解質膜4の厚みXよりも小さい。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ16は、両者の厚みが逆の場合に比べて、第1の金属シート22Fの通気孔25Fにおける電解質膜4の垂れ込み量を低減できる。これにより、電気化学式水素ポンプ16のカソードおよびアノード間の差圧によって、第1の金属シート22Fの通気孔25F上で電解質膜4が押圧されても、この通気孔25Fのエッジ部25Eで電解質膜4が曲げられることを更に効果的に抑制できる。   In addition, the electrolyte membrane 4 is held in a region where the vent hole 25S of the second metal sheet 22S is not provided, and the thickness Y of the first metal sheet 22F is smaller than the thickness X of the electrolyte membrane 4. For this reason, the sagging of the electrolyte membrane 4 in the vent hole 25F of the first metal sheet 22F is regulated by the thickness Y of the first metal sheet 22F, and the sagging amount is smaller than the thickness X of the electrolyte membrane 4. Therefore, the electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment can reduce the amount of sag of the electrolyte membrane 4 in the vent hole 25F of the first metal sheet 22F, compared to the case where the thicknesses of both are opposite. Thus, even if the electrolyte membrane 4 is pressed on the vent hole 25F of the first metal sheet 22F due to the differential pressure between the cathode and the anode of the electrochemical hydrogen pump 16, the electrolyte membrane is formed at the edge portion 25E of the vent hole 25F. It can suppress more effectively that 4 is bent.

(実施例)
第1実施形態の実施例の電気化学式水素ポンプ16は、第1の態様または第2の態様の電気化学式水素ポンプ16において、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの開口と第2の金属シート22Sの通気孔25Sの開口が重なる部分27Aの面積は、8×円周率×(電解質膜4の引張り強度)×(電解質膜4の膜厚)/(3×(電解質膜4の理論破断圧力)×(3+電解質膜4のポアソン比))よりも小さい。
(Example)
The electrochemical hydrogen pump 16 of the example of the first embodiment is similar to the electrochemical hydrogen pump 16 of the first aspect or the second aspect in that the opening of the vent hole 25F of the first metal sheet 22F and the second metal sheet. The area of the portion 27A where the openings of the 22S vent holes 25S overlap is 8 × circularity × (tensile strength of the electrolyte membrane 4) × (film thickness of the electrolyte membrane 4) 2 / (3 × (theoretical fracture of the electrolyte membrane 4) Pressure) × (3 + Poisson's ratio of electrolyte membrane 4))).

一般的に、電解質膜を円形状の開口が形成された適宜の部材に載せ、適宜の圧力を付与した場合、以下の式(4)が成り立つことが知られている。   In general, it is known that the following formula (4) is established when an electrolyte membrane is placed on an appropriate member having a circular opening and an appropriate pressure is applied.

p=8×γ×(2×h/d)/(3×(3+v))・・・式(4)
式(4)において、pは電解質膜の理論破断圧力であり、γは電解質膜の引張り強度であり、hは電解質膜の膜厚であり、dは円形開口の直径であり、vは電解質膜のポアソン比である。
p = 8 × γ × (2 × h / d) 2 / (3 × (3 + v)) (4)
In formula (4), p is the theoretical breaking pressure of the electrolyte membrane, γ is the tensile strength of the electrolyte membrane, h is the thickness of the electrolyte membrane, d is the diameter of the circular opening, and v is the electrolyte membrane. Poisson's ratio.

ここで、発明者らは、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの開口と第2の金属シート22Sの通気孔25Sの開口が重なる部分27A(葉形状の通気空間)の長径D(図3(b)参照)を、式(4)の直径dと仮定しても、この式(4)の関係が近似的には成立し得ると判断した。   Here, the inventors have a long diameter D of the portion 27A (leaf-shaped ventilation space) where the opening of the ventilation hole 25F of the first metal sheet 22F and the opening of the ventilation hole 25S of the second metal sheet 22S overlap (FIG. 3). (B)) is assumed to be the diameter d of the equation (4), it is determined that the relationship of the equation (4) can be approximately established.

この場合、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの開口と第2の金属シート22Sの通気孔25Sの開口が重なる部分27Aの長径Dが、式(4)により、(32×(電解質膜4の引張り強度)×(電解質膜4の膜厚)/(3×(電解質膜4の理論破断圧力)×(3+電解質膜4のポアソン比)))1/2よりも小さい場合、電解質膜4の理論破断圧力において、電解質膜4が破断することを適切に抑制できる。また、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの開口と第2の金属シート22Sの通気孔25Sの開口が重なる部分27Aの面積(つまり、円周率×(D/2))が、式(4)より、8×円周率×(電解質膜4の引張り強度)×(電解質膜4の膜厚)/(3×(電解質膜4の理論破断圧力)×(3+電解質膜4のポアソン比))よりも小さい場合、電解質膜4の理論破断圧力において、電解質膜4が破断することを適切に抑制できる。なお、以上の開口が重なる部分27Aの長径Dおよび面積を導出する際には、電解質膜4の理論破断圧力を、別途、実験などで求めておくとよい。 In this case, the long diameter D of the portion 27A where the opening of the vent hole 25F of the first metal sheet 22F and the opening of the vent hole 25S of the second metal sheet 22S overlap is expressed by (32 × (electrolyte membrane 4 Tensile strength) × (film thickness of the electrolyte membrane 4) 2 / (3 × (theoretical breaking pressure of the electrolyte membrane 4) × (3 + Poisson's ratio of the electrolyte membrane 4))) When less than 1/2 , the electrolyte membrane 4 It is possible to appropriately prevent the electrolyte membrane 4 from being broken at the theoretical breaking pressure. In addition, the area of the portion 27A where the opening of the vent hole 25F of the first metal sheet 22F and the opening of the vent hole 25S of the second metal sheet 22S overlap (that is, the circumferential ratio × (D / 2) 2 ) is expressed by the equation From (4), 8 × circularity × (tensile strength of electrolyte membrane 4) × (film thickness of electrolyte membrane 4) 2 / (3 × (theoretical breaking pressure of electrolyte membrane 4) × (3 + Poisson of electrolyte membrane 4) If the ratio is smaller than the ratio)), the electrolyte membrane 4 can be appropriately prevented from breaking at the theoretical breaking pressure of the electrolyte membrane 4. When deriving the major axis D and the area of the portion 27A where the openings overlap, the theoretical breaking pressure of the electrolyte membrane 4 may be obtained separately through experiments or the like.

以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ16では、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの開口と第2の金属シート22Sの通気孔25Sの開口が重なる部分27Aの面積を適切に設定することができる。   As described above, in the electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment, the area of the portion 27A where the opening of the vent hole 25F of the first metal sheet 22F and the opening of the vent hole 25S of the second metal sheet 22S overlap is appropriately set. be able to.

本実施例の電気化学式水素ポンプ16は、上記特徴以外は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプ16と同様であってもよい。   The electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 16 of the first embodiment except for the above features.

(第1変形例)
図4は、第1実施形態の第1変形例の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を平面視した図である。図4には、アノードガス拡散層2Aのガス拡散部50(図3(a)参照)の一部の領域を平面視した図が示されている。
(First modification)
FIG. 4 is a plan view of an example of an anode gas diffusion layer of an electrochemical hydrogen pump according to a first modification of the first embodiment. FIG. 4 shows a plan view of a part of the gas diffusion portion 50 (see FIG. 3A) of the anode gas diffusion layer 2A.

第1実施形態の電気化学式水素ポンプ16では、第1の金属シート22Fの通気孔25Fと第2の金属シート22Sの通気孔25Sとが同一形状である場合について説明した。   In the electrochemical hydrogen pump 16 of the first embodiment, the case where the vent hole 25F of the first metal sheet 22F and the vent hole 25S of the second metal sheet 22S have the same shape has been described.

本変形例の電気化学式水素ポンプ16では、第1の金属シート22Fの通気孔125Fと第2の金属シート22Sの通気孔125Sとが相似形である場合について説明する。   In the electrochemical hydrogen pump 16 of this modification, a case where the vent hole 125F of the first metal sheet 22F and the vent hole 125S of the second metal sheet 22S are similar to each other will be described.

図4に示す例では、第1の金属シート22Fの円形状の通気孔125Fの直径が、第2の金属シート22Sの円形状の通気孔125Sの直径よりも大きい。本例では、第1の金属シート22Fの通気孔125Fの周囲の3箇所において、この通気孔125Fの開口の一部が、第2の金属シート22Sの3個の通気孔125Sの開口のそれぞれの一部と重なり合っている。これにより、1個の通気孔125Fの開口と3個の通気孔125Sの開口が重なる第1部分127AA、第2部分127ABおよび第3部分127AC(図4のドット部)が、第1の金属シート22Fの通気孔125Fの周囲に、ほぼ等間隔だけ隔てて形成されている。   In the example shown in FIG. 4, the diameter of the circular vent hole 125F of the first metal sheet 22F is larger than the diameter of the circular vent hole 125S of the second metal sheet 22S. In this example, at three locations around the vent hole 125F of the first metal sheet 22F, a part of the opening of the vent hole 125F corresponds to each of the three vent holes 125S of the second metal sheet 22S. It overlaps with a part. Accordingly, the first portion 127AA, the second portion 127AB, and the third portion 127AC (dot portions in FIG. 4) in which the opening of the one air hole 125F and the opening of the three air holes 125S overlap each other are the first metal sheet. It is formed around the vent hole 125F of 22F with a substantially equal interval.

本変形例の電気化学式水素ポンプ16は、上記特徴以外は、第1実施形態または第1実施形態の実施例の電気化学式水素ポンプ16と同様であってもよい。例えば、上記の第1部分127AA、第2部分127ABおよび第3部分127ACのそれぞれの面積は、第1実施形態の実施例に記載の設定方法に基づいて導出してもよい。   The electrochemical hydrogen pump 16 of this modification may be the same as the electrochemical hydrogen pump 16 of the first embodiment or the example of the first embodiment except for the above-described features. For example, the areas of the first portion 127AA, the second portion 127AB, and the third portion 127AC may be derived based on the setting method described in the example of the first embodiment.

(第2変形例)
図5は、第1実施形態の第2変形例の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散層の一例を示す図である。図5(a)には、カソードガス拡散層2Cを斜視した図が示されている。図5(b)には、カソードガス拡散層2Cのガス拡散部50の一部の領域100を平面視した図が示されている。図5(c)には、カソードガス拡散層2Cのガス拡散部50の領域100内のC−C部の断面が示されている。
(Second modification)
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a cathode gas diffusion layer of an electrochemical hydrogen pump according to a second modification of the first embodiment. FIG. 5A shows a perspective view of the cathode gas diffusion layer 2C. FIG. 5B shows a plan view of a partial region 100 of the gas diffusion portion 50 of the cathode gas diffusion layer 2C. FIG. 5C shows a cross section of the CC section in the region 100 of the gas diffusion section 50 of the cathode gas diffusion layer 2C.

本変形例の電気化学式水素ポンプ16は、第1実施形態、第1実施形態の実施例および第1実施形態の第1変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ16において、カソードガス拡散層2Cは、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シート22の積層体20を備え、カソードガス拡散層2Cにおいて、カソード触媒層3Cに隣接する第3の金属シート22Gの複数の通気孔25Gの開口の少なくとも一部が、第3の金属シート22Gに隣接する第4の金属シート22Hの複数の通気孔25Hが設けられていない領域により塞がれている面積の総計は、アノードガス拡散層2Aにおいて、第1の金属シート22Fの複数の通気孔25Fの開口が、第2の金属シート22Sの複数の通気孔25Sが設けられていない領域により塞がれている面積の総計に比べ小さい。   The electrochemical hydrogen pump 16 of this modification is the same as that of the first embodiment, the example of the first embodiment, and the electrochemical hydrogen pump 16 of the first modification of the first embodiment. The cathode gas diffusion layer 2C is provided with a plurality of ventilation holes 25G of the third metal sheet 22G adjacent to the cathode catalyst layer 3C. Of the fourth metal sheet 22H adjacent to the third metal sheet 22G is covered by the area where the plurality of vent holes 25H are not provided in the anode gas diffusion layer 2A. The area where the openings of the plurality of vent holes 25F of the first metal sheet 22F are blocked by the region where the plurality of vent holes 25S of the second metal sheet 22S are not provided. Total smaller than that.

カソードガス拡散層2Cの金属シート22の詳細な構成は、アノードガス拡散層2Aの金属シート22の構成と同様であるので説明を省略する。また、カソードガス拡散層2Cの第3の金属シート22Gおよび第4の金属シート22Hの構成はそれぞれ、第3の金属シート22Gと第4の金属シート22Hとが積層した状態以外は、アノードガス拡散層2Aの第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22Sの構成と同様であるので説明を省略する。   Since the detailed configuration of the metal sheet 22 of the cathode gas diffusion layer 2C is the same as the configuration of the metal sheet 22 of the anode gas diffusion layer 2A, description thereof is omitted. The third metal sheet 22G and the fourth metal sheet 22H of the cathode gas diffusion layer 2C are anode gas diffusion except for the state in which the third metal sheet 22G and the fourth metal sheet 22H are laminated. Since it is the same as that of the structure of the 1st metal sheet 22F and the 2nd metal sheet 22S of layer 2A, description is abbreviate | omitted.

本変形例の電気化学式水素ポンプ16では、第3の金属シート22Gと第4の金属シート22Hとを積層する場合、第3の金属シート22Gの通気孔25Gの配設位置と第4の金属シート22Hの通気孔25Hの配設位置とが、第3の金属シート22Gおよび第4の金属シート22Hの主面と平行かつ横方向に、両者の通気孔25Gおよび通気孔25Hの一部が重なり合うようにずれている。   In the electrochemical hydrogen pump 16 of this modification, when the third metal sheet 22G and the fourth metal sheet 22H are laminated, the arrangement position of the vent holes 25G of the third metal sheet 22G and the fourth metal sheet The positions of the 22H vent holes 25H are parallel to the main surfaces of the third metal sheet 22G and the fourth metal sheet 22H, and the vent holes 25G and 25H partially overlap each other. It is shifted to.

これにより、第3の金属シート22Gの通気孔25Gの開口と第4の金属シート22Hの通気孔25Hの開口が重なる部分27C(図5(b)のドット部)が、平面視において、第3の金属シート22Gおよび第4の金属シート22Hの楕円状の通気空間として形成されている。   As a result, a portion 27C (dot portion in FIG. 5B) where the opening of the vent hole 25G of the third metal sheet 22G and the opening of the vent hole 25H of the fourth metal sheet 22H overlap with each other in the plan view is the third. The metal sheet 22G and the fourth metal sheet 22H are formed as elliptical ventilation spaces.

そして、以上の開口が重なる部分27Cの大きさ(面積)は、アノードガス拡散層2Aにおいて、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの開口と第2の金属シート22Sの通気孔25Sの開口が重なる部分27A(図3(b)のドット部)の面積よりも大きい。つまり、上記のとおり、第3の金属シート22Gの通気孔25Gの開口の少なくとも一部が、第4の金属シート22Hの通気孔25Hが設けられていない領域により塞がれている面積の総計は、アノードガス拡散層2Aにおいて、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの開口が、第2の金属シート22Sの通気孔25Sが設けられていない領域により塞がれている面積の総計に比べ小さい。   The size (area) of the portion 27C where the above openings overlap is such that the opening of the vent hole 25F of the first metal sheet 22F and the opening of the vent hole 25S of the second metal sheet 22S in the anode gas diffusion layer 2A. It is larger than the area of the overlapping portion 27A (dot portion in FIG. 3B). That is, as described above, the total area in which at least a part of the opening of the vent hole 25G of the third metal sheet 22G is blocked by the region where the vent hole 25H of the fourth metal sheet 22H is not provided is In the anode gas diffusion layer 2A, the opening of the vent hole 25F of the first metal sheet 22F is smaller than the total area covered by the region where the vent hole 25S of the second metal sheet 22S is not provided. .

なお、上記の重なる部分27Cは、通気孔25Gおよび通気孔25Hが重なり合う通気空間として形成されていれば、どのような形状であってもよい。本例では、円形状の通気孔25Gの一部および円形状の通気孔25Hの一部が互いに重なり合うことで、平面視において、楕円状の通気空間が形成されているが、これに限らない。例えば、円形状の通気孔25Gと円形状の通気孔25Hとが完全に重なり合うことによって、平面視において、円形状の通気空間が形成されていてもよい。   The overlapping portion 27C may have any shape as long as the ventilation hole 25G and the ventilation hole 25H are formed as a ventilation space. In this example, a part of the circular vent hole 25G and a part of the circular vent hole 25H overlap each other to form an elliptical vent space in plan view, but the present invention is not limited to this. For example, the circular ventilation hole 25G and the circular ventilation hole 25H may be completely overlapped to form a circular ventilation space in plan view.

図6に示す例では、第3の金属シート22Gの円形状の通気孔125Gの直径が、第4の金属シート22Hの円形状の通気孔125Hの直径よりも大きい。本例では、第3の金属シート22Gの通気孔125Gの周囲の3箇所において、この通気孔125Gの開口の一部が、第4の金属シート22Hの3個の通気孔125Hの開口のそれぞれの一部と重なり合っている。これにより、1個の通気孔125Gの開口と3個の通気孔125Hの開口が重なる第1部分127CA、第2部分127CBおよび第3部分127CC(図6のドット部)が、第3の金属シート22Gの通気孔125Gの周囲に、ほぼ等間隔だけ隔てて形成されている。   In the example shown in FIG. 6, the diameter of the circular vent hole 125G of the third metal sheet 22G is larger than the diameter of the circular vent hole 125H of the fourth metal sheet 22H. In this example, at three locations around the vent hole 125G of the third metal sheet 22G, a part of the opening of the vent hole 125G corresponds to each of the three vent holes 125H of the fourth metal sheet 22H. It overlaps with a part. Accordingly, the first portion 127CA, the second portion 127CB, and the third portion 127CC (dot portions in FIG. 6) in which the opening of the one air hole 125G overlaps the opening of the three air holes 125H are the third metal sheet. Around the 22G vent hole 125G, the air holes are formed at substantially equal intervals.

そして、以上の開口が重なる第1部分127CA、第2部分127CBおよび第3部分127CCの大きさ(面積)はそれぞれ、アノードガス拡散層2Aにおいて、第1の金属シート22Fの1個の通気孔125Fの開口と第2の金属シート22Sの3個の通気孔125Sの開口が重なる第1部分127AA、第2部分127ABおよび第3部分127AC(図4のドット部)のそれぞれの面積よりも大きい。つまり、上記のとおり、第3の金属シート22Gの通気孔125Gの開口の少なくとも一部が、第4の金属シート22Hの通気孔125Hが設けられていない領域により塞がれている面積の総計は、アノードガス拡散層2Aにおいて、第1の金属シート22Fの通気孔125Fの開口が、第2の金属シート22Sの通気孔125Sが設けられていない領域により塞がれている面積の総計に比べ小さい。   The sizes (areas) of the first portion 127CA, the second portion 127CB, and the third portion 127CC that overlap the openings described above are each one vent hole 125F of the first metal sheet 22F in the anode gas diffusion layer 2A. Are larger than the respective areas of the first portion 127AA, the second portion 127AB, and the third portion 127AC (dot portions in FIG. 4) in which the openings of the three metal holes 22S of the second metal sheet 22S overlap. That is, as described above, the total area where at least a part of the opening of the vent hole 125G of the third metal sheet 22G is blocked by the region where the vent hole 125H of the fourth metal sheet 22H is not provided is In the anode gas diffusion layer 2A, the opening of the vent hole 125F of the first metal sheet 22F is smaller than the total area covered by the region where the vent hole 125S of the second metal sheet 22S is not provided. .

以上により、本変形例の電気化学式水素ポンプ16は、カソードガス拡散層2Cをアノードガス拡散層2Aと同様に構成する場合に比べ、カソードガス拡散層2Cのガス拡散性の低下を軽減できる。具体的には、第3の金属シート22Gの複数の通気孔25G、125Gが塞がれているとカソードガス拡散層2Cのガス拡散性が低下する。ここで、カソードガス拡散層2Cは、アノードガス拡散層2Aに比べ、電気化学式水素ポンプ16のカソードおよびアノード間の差圧による変形を受けにくい。このため、カソードガス拡散層2Cにおける通気孔25G、125Gの開口が、通気孔25H、125Hが設けられていない領域により塞がれている面積の総計を、アノードガス拡散層2Aにおける通気孔25F、125Fの開口が、通気孔25S、125Sが設けられていない領域により塞がれている面積の総計よりも小さくすることにより、カソードガス拡散層2Cのガス拡散性の低下が軽減する。   As described above, the electrochemical hydrogen pump 16 according to the present modification can reduce a decrease in gas diffusibility of the cathode gas diffusion layer 2C as compared with the case where the cathode gas diffusion layer 2C is configured in the same manner as the anode gas diffusion layer 2A. Specifically, when the plurality of vent holes 25G and 125G of the third metal sheet 22G are closed, the gas diffusibility of the cathode gas diffusion layer 2C is lowered. Here, the cathode gas diffusion layer 2C is less susceptible to deformation due to the differential pressure between the cathode and anode of the electrochemical hydrogen pump 16 than the anode gas diffusion layer 2A. For this reason, the total of the areas where the openings of the vent holes 25G and 125G in the cathode gas diffusion layer 2C are blocked by the regions where the vent holes 25H and 125H are not provided is defined as the vent holes 25F and 2F in the anode gas diffusion layer 2A. By making the opening of 125F smaller than the total area covered by the region where the vent holes 25S and 125S are not provided, the reduction in gas diffusibility of the cathode gas diffusion layer 2C is reduced.

なお、以上の第3の金属シート22Gの通気孔25G、125Gおよび第4の金属シート22Hの通気孔25H、125Hの形状および配置などは例示であって、本例に限定されない。   The shape and arrangement of the vent holes 25G and 125G of the third metal sheet 22G and the vent holes 25H and 125H of the fourth metal sheet 22H are merely examples, and are not limited to this example.

本変形例の電気化学式水素ポンプ16は、上記特徴以外は、第1実施形態、第1実施形態の実施例および第1実施形態の第1変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ16と同様であってもよい。   The electrochemical hydrogen pump 16 of this modification is the same as the electrochemical hydrogen pump 16 of the first embodiment, the example of the first embodiment, and the first modification of the first embodiment, except for the above characteristics. There may be.

(第3変形例)
本変形例の電気化学式水素ポンプ16は、第1実施形態、第1実施形態の実施例および第1実施形態の第1変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ16において、カソードガス拡散層2Cは、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シート22の積層体20を備え、カソードガス拡散層2Cにおいて、カソード触媒層3Cに隣接する第3の金属シート22Gの複数の通気孔25Gのうち、その開口の少なくとも一部が、第3の金属シート22Gに隣接する第4の金属シート22Hの複数の通気孔25Hが設けられていない領域により塞がれている、第3の金属シート22Gの通気孔25Gの数は、アノードガス拡散層2Aにおいて、第1の金属シート22Fの通気孔25Fのうち、その開口の少なくとも一部が、第2の金属シート22Sの複数の通気孔25Sが設けられていない領域により塞がれている、第1の金属シート22Fの通気孔25Fの数に比べ少ない。
(Third Modification)
The electrochemical hydrogen pump 16 of this modification is the same as that of the first embodiment, the example of the first embodiment, and the electrochemical hydrogen pump 16 of the first modification of the first embodiment. The cathode gas diffusion layer 2C includes a plurality of ventilation holes 25G of the third metal sheet 22G adjacent to the cathode catalyst layer 3C. In the third metal sheet 22G, at least a part of the opening is closed by a region where the plurality of vent holes 25H of the fourth metal sheet 22H adjacent to the third metal sheet 22G is not provided. In the anode gas diffusion layer 2A, the number of the vent holes 25G is such that at least a part of the openings of the vent holes 25F of the first metal sheet 22F is the second metal sheet 22S. The number of vent holes 25S are closed by a region not provided, less than the number of vent holes 25F of the first metal sheet 22F.

カソードガス拡散層2Cの金属シート22の詳細な構成は、アノードガス拡散層2Aの金属シート22の構成と同様であるので説明を省略する。また、カソードガス拡散層2Cの第3の金属シート22Gおよび第4の金属シート22Hの構成はそれぞれ、第3の金属シート22Gと第4の金属シート22Hとが積層した状態以外は、アノードガス拡散層2Aの第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22Sの構成と同様であるので説明を省略する。   Since the detailed configuration of the metal sheet 22 of the cathode gas diffusion layer 2C is the same as the configuration of the metal sheet 22 of the anode gas diffusion layer 2A, description thereof is omitted. The third metal sheet 22G and the fourth metal sheet 22H of the cathode gas diffusion layer 2C are anode gas diffusion except for the state in which the third metal sheet 22G and the fourth metal sheet 22H are laminated. Since it is the same as that of the structure of the 1st metal sheet 22F of the layer 2A, and the 2nd metal sheet 22S, description is abbreviate | omitted.

図示を省略するが、例えば、同一形状(例えば、直径が等しい円形状)の通気孔25Gと通気孔25Hとが完全に重なり合う数が多い程、複数の通気孔25Gのうち、その開口の少なくとも一部が、通気孔25Hが設けられていない領域により塞がれている、通気孔25Gの数は少なくなる。   Although illustration is omitted, for example, the greater the number of completely overlapping vent holes 25G having the same shape (for example, circular shapes with the same diameter) and the vent holes 25H, the more the at least one of the plurality of vent holes 25G. The number of vent holes 25G in which the portion is blocked by the region where the vent holes 25H are not provided is reduced.

よって、本変形例の電気化学式水素ポンプ16では、第3の金属シート22Gと第4の金属シート22Hとを積層する場合、通気孔25Gと通気孔25Hとの間での完全な重なりが、ガス拡散部50の少なくとも一部の領域において存在するように構成されている。これにより、第3の金属シート22Gの通気孔25Gが塞がれることが適切に抑制される。   Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 16 of this modification, when the third metal sheet 22G and the fourth metal sheet 22H are laminated, the complete overlap between the vent hole 25G and the vent hole 25H is a gas. The diffusion unit 50 is configured to exist in at least a part of the region. Thereby, it is suppressed appropriately that the vent hole 25G of the third metal sheet 22G is closed.

以上により、本変形例の電気化学式水素ポンプ16は、カソードガス拡散層2Cをアノードガス拡散層2Aと同様に構成する場合に比べ、カソードガス拡散層2Cのガス拡散性の低下を軽減できる。具体的には、カソードガス拡散層2Cの第3の金属シート22Gの複数の通気孔25Gが塞がれているとカソードガス拡散層2Cのガス拡散性が低下する。ここで、カソードガス拡散層2Cは、アノードガス拡散層2Aに比べ、電気化学式水素ポンプ16のカソードおよびアノード間の差圧による変形を受けにくい。このため、カソードガス拡散層2Cにおける複数の通気孔25Gのうち、その開口の少なくとも一部が、複数の通気孔25Hが設けられていない領域により塞がれている通気孔25Gの数を、アノードガス拡散層2Aにおける複数の通気孔25Fのうち、その開口の少なくとも一部が、複数の通気孔25Sが設けられていない領域により塞がれている通気孔25Fの数に比べ少なくすることにより、カソードガス拡散層2Cのガス拡散性の低下が軽減する。   As described above, the electrochemical hydrogen pump 16 according to the present modification can reduce a decrease in gas diffusibility of the cathode gas diffusion layer 2C as compared with the case where the cathode gas diffusion layer 2C is configured in the same manner as the anode gas diffusion layer 2A. Specifically, when the plurality of vent holes 25G of the third metal sheet 22G of the cathode gas diffusion layer 2C are closed, the gas diffusibility of the cathode gas diffusion layer 2C is lowered. Here, the cathode gas diffusion layer 2C is less susceptible to deformation due to the differential pressure between the cathode and anode of the electrochemical hydrogen pump 16 than the anode gas diffusion layer 2A. For this reason, among the plurality of vent holes 25G in the cathode gas diffusion layer 2C, the number of the vent holes 25G in which at least a part of the openings are closed by the region where the plurality of vent holes 25H are not provided is defined as the anode By reducing at least a part of the plurality of vent holes 25F in the gas diffusion layer 2A compared to the number of vent holes 25F closed by the region where the plurality of vent holes 25S are not provided, A decrease in gas diffusibility of the cathode gas diffusion layer 2C is reduced.

なお、以上の第3の金属シート22Gの通気孔25Gおよび第4の金属シート22Hの通気孔25Hの形状および配置などは例示であって、本例に限定されない。   The shape and arrangement of the vent holes 25G of the third metal sheet 22G and the vent holes 25H of the fourth metal sheet 22H are merely examples, and are not limited to this example.

本変形例の電気化学式水素ポンプ16は、上記特徴以外は、第1実施形態、第1実施形態の実施例および第1実施形態の第1変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ16と同様であってもよい。   The electrochemical hydrogen pump 16 of this modification is the same as the electrochemical hydrogen pump 16 of the first embodiment, the example of the first embodiment, and the first modification of the first embodiment, except for the above characteristics. There may be.

(第2実施形態)
[装置構成]
図7Aおよび図7Bは、第2実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を断面視した図である。図7Aおよび図7Bには、アノードガス拡散層2Aの積層体20の一部の断面が示されている。なお、アノード触媒層3Aに隣接する積層体20の部分には、上記のとおり、第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22Sが設けられているが、図7Aおよび図7Bでは、これらの第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22Sの図示を省略している。
(Second Embodiment)
[Device configuration]
7A and 7B are cross-sectional views of an example of an anode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the second embodiment. 7A and 7B show a cross section of a part of the laminate 20 of the anode gas diffusion layer 2A. Note that, as described above, the first metal sheet 22F and the second metal sheet 22S are provided in the portion of the laminate 20 adjacent to the anode catalyst layer 3A. In FIGS. 7A and 7B, these are the same. Illustration of the first metal sheet 22F and the second metal sheet 22S is omitted.

図8A、図8Bおよび図8Cは、アノードガス拡散層の積層体の金属シートの一例を平面視した図である。   8A, 8B, and 8C are views in plan view of an example of a metal sheet of a laminate of anode gas diffusion layers.

本実施形態の電気化学式水素ポンプ16は、第1実施形態、第1実施形態の実施例および第1実施形態の第1変形例−第3変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ16において、複数の金属シート22のうち、少なくとも1つの金属シート22は、貫通孔21同士を連絡する連絡路23を備える。   The electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment includes a plurality of electrochemical hydrogen pumps 16 according to any one of the first embodiment, the example of the first embodiment, and the first to third modifications of the first embodiment. Among the metal sheets 22, at least one metal sheet 22 includes a communication path 23 that connects the through holes 21.

具体的には、図7Aおよび図7Bに示すように、積層体20は、ガスが通過する、複数の貫通孔21を有する金属シート22を備える。また、積層体20の複数の金属シート22のうち、少なくとも1つの金属シート22は、貫通孔21同士を連絡する連絡路23を備える。   Specifically, as illustrated in FIGS. 7A and 7B, the stacked body 20 includes a metal sheet 22 having a plurality of through holes 21 through which gas passes. In addition, at least one metal sheet 22 among the plurality of metal sheets 22 of the laminate 20 includes a communication path 23 that communicates the through holes 21 with each other.

積層体20は、複数の貫通孔21を有する金属シート22を備え、少なくとも1つの金属シート22が、貫通孔21同士を連絡する連絡路23を備えていれば、どのような構成であってもよい。   The laminated body 20 includes a metal sheet 22 having a plurality of through holes 21, and at least one metal sheet 22 includes any communication path 23 that connects the through holes 21 to each other. Good.

図7Aに示す例では、積層体20を貫通する方向に延伸するガス流路(以下、基準ガス流路)を構成する貫通孔21および連絡路23の両端部と、基準ガス流路から枝分かれし、隣の基準ガス流路に至るように積層体20の主面と平行な方向に延伸するガス流路を構成する連絡路23とが、積層体20に設けられている。これにより、連絡路23は、連絡路23が設けられた金属シート22に隣り合う、金属シート22の貫通孔21同士を連絡する。   In the example shown in FIG. 7A, both ends of the through-hole 21 and the communication path 23 constituting the gas flow path (hereinafter referred to as a reference gas flow path) extending in the direction penetrating the laminate 20 and the reference gas flow path are branched. The laminated body 20 is provided with a communication path 23 constituting a gas flow path extending in a direction parallel to the main surface of the laminated body 20 so as to reach the adjacent reference gas flow path. Thereby, the connecting path 23 connects the through holes 21 of the metal sheet 22 adjacent to the metal sheet 22 provided with the connecting path 23.

図7Bに示す例では、階段状に延伸するガス流路(以下、階段状ガス流路)のうちの積層体20を貫通する方向に延伸する貫通路を構成する貫通孔21と、階段状ガス流路のうち貫通路同士を連絡する連絡路23とが、積層体20に設けられている。これにより、連絡路23は、連絡路23が設けられた金属シート22に隣り合う、金属シート22の貫通孔21同士を連絡する。   In the example shown in FIG. 7B, through-holes 21 constituting a through passage extending in a direction penetrating the stacked body 20 in a gas passage extending in a staircase shape (hereinafter referred to as a staircase gas flow passage), and a staircase gas The laminated body 20 is provided with a communication path 23 that connects the through paths among the flow paths. Thereby, the connecting path 23 connects the through holes 21 of the metal sheet 22 adjacent to the metal sheet 22 provided with the connecting path 23.

積層体20を平面視した場合、例えば、図8Aに示すように、積層体20の金属シート22Aに、複数の貫通孔21Aが、縦および横に等間隔ピッチでマトリクス状(格子状)に形成されていてもよい。貫通孔21Aの形状は、どのような形状でも構わない。貫通孔21Aは、例えば、直径が数十μm程度の丸孔であってもよい。金属シート22Aの材質として、例えば、ステンレスまたはチタンなどを用いることができるが、これに限定されない。なお、図8Aの金属シート22Aは、上記の連絡路を備えていない。   When the laminate 20 is viewed in plan, for example, as shown in FIG. 8A, a plurality of through holes 21A are formed in a matrix (lattice) at equal intervals in the vertical and horizontal directions in the metal sheet 22A of the laminate 20. May be. The shape of the through hole 21A may be any shape. The through hole 21A may be, for example, a round hole having a diameter of about several tens of μm. As a material of the metal sheet 22A, for example, stainless steel or titanium can be used, but is not limited thereto. Note that the metal sheet 22A of FIG. 8A does not include the above communication path.

また、図8Bに示すように、積層体20の金属シート22Bに、複数の貫通孔21Bが、縦および横に等間隔ピッチで形成されていてもよい。貫通孔21Bの形状は、どのような形状でも構わない。貫通孔21Bは、例えば、直径が数十μm程度の丸孔であってもよい。金属シート22Bの材質として、例えば、ステンレスまたはチタンなどを用いることができるが、これに限定されない。   Further, as shown in FIG. 8B, a plurality of through holes 21 </ b> B may be formed in the metal sheet 22 </ b> B of the laminate 20 at equal intervals in the vertical and horizontal directions. The shape of the through hole 21B may be any shape. The through hole 21B may be, for example, a round hole having a diameter of about several tens of μm. As a material of the metal sheet 22B, for example, stainless steel or titanium can be used, but is not limited thereto.

図8Bに示す例では、隣接する貫通孔21Bの中心が結ばれると、二点鎖線で示す菱形Sとなるように、貫通孔21Bが縦および横に配列されている。本例では、連絡路23Bは、隣り合う菱形Sのそれぞれの中心PBを斜めに結ぶ開口となるように形成されている。また、連絡路23Bは、貫通孔21B同士が連絡路23Bを横断せずに結ばれる第1方向と平行な方向に延伸しているとも言える。また、連絡路23Bは、第1方向と異なる方向で隣り合う貫通孔21B同士のうち離間距離のより長い隣り合う貫通孔21B同士(縦方向および横方向に隣り合う貫通孔21B同士)を結ぶ直線の中点(PB)を結ぶ開口となるように形成されているとも言える。そして、例えば、金属シート22Bと金属シート22Aとを積層する場合、貫通孔21Aと貫通孔21Bとが重なり合うとともに、貫通孔21Aと連絡路23Bの両端部とが重なり合うように、貫通孔21Bおよび連絡路23Bが配列されている。よって、この場合、連絡路23Bは、貫通孔21A同士を連絡することができる。   In the example shown in FIG. 8B, when the centers of adjacent through holes 21B are connected, the through holes 21B are arranged vertically and horizontally so as to form a rhombus S indicated by a two-dot chain line. In this example, the communication path 23B is formed so as to be an opening that obliquely connects the centers PB of the adjacent rhombus S. Moreover, it can be said that the communication path 23B extends in a direction parallel to the first direction in which the through holes 21B are connected without crossing the communication path 23B. Further, the connecting path 23B is a straight line connecting adjacent through holes 21B having longer separation distances (through holes 21B adjacent in the vertical direction and the horizontal direction) among the through holes 21B adjacent in a direction different from the first direction. It can also be said that the opening is formed to connect the midpoints (PB). For example, when laminating the metal sheet 22B and the metal sheet 22A, the through hole 21B and the connection are formed so that the through hole 21A and the through hole 21B overlap and the through hole 21A and the both ends of the communication path 23B overlap. The path 23B is arranged. Therefore, in this case, the communication path 23B can connect the through holes 21A.

連絡路23Bは、どのような形状でも構わない。例えば、貫通孔21Bが、直径が数十μm程度の丸孔である場合、連絡路23Bは、幅が数十μm程度のスリットであってもよい。   The communication path 23B may have any shape. For example, when the through hole 21B is a round hole having a diameter of about several tens of μm, the connecting path 23B may be a slit having a width of about several tens of μm.

また、図8Cに示すように、積層体20の金属シート22Cに、複数の貫通孔21Cが形成されていてもよい。貫通孔21Cの形状は、どのような形状でも構わない。貫通孔21Cは、例えば、直径が数十μm程度の丸孔であってもよい。金属シート22Cの材質として、例えば、ステンレスまたはチタンなどを用いることができるが、これに限定されない。   Further, as shown in FIG. 8C, a plurality of through holes 21 </ b> C may be formed in the metal sheet 22 </ b> C of the stacked body 20. The shape of the through hole 21C may be any shape. The through hole 21C may be, for example, a round hole having a diameter of about several tens of μm. As a material of the metal sheet 22C, for example, stainless steel or titanium can be used, but is not limited thereto.

図8Cに示す例では、連絡路23Cを横断せずに、隣接する貫通孔21Cの中心が結ばれると、二点鎖線で示す傾斜直線Lとなるように、貫通孔21Cが縦および横に配列されている。本例では、連絡路23Cは、横方向に隣り合う貫通孔21C同士を結ぶ直線を三等分した場合の2つの中間点PCを横に結ぶ開口となるように形成されている。そして、例えば、金属シート22Aと金属シート22Cと積層する場合、貫通孔21Aと貫通孔21Cとが重なり合うとともに、貫通孔21Aと連絡路23Cの両端部とが重なり合うように、貫通孔21Cおよび連絡路23Cが配列されている。よって、この場合、連絡路23Cは、貫通孔21A同士を連絡することができる。   In the example shown in FIG. 8C, when the centers of adjacent through holes 21C are connected without crossing the connecting path 23C, the through holes 21C are arranged vertically and horizontally so as to form an inclined straight line L indicated by a two-dot chain line. Has been. In this example, the communication path 23C is formed to be an opening that horizontally connects two intermediate points PC when a straight line that connects the through holes 21C adjacent in the horizontal direction is divided into three equal parts. For example, when the metal sheet 22A and the metal sheet 22C are stacked, the through hole 21C and the communication path are formed so that the through hole 21A and the through hole 21C overlap and the through hole 21A and the both ends of the communication path 23C overlap. 23C is arranged. Therefore, in this case, the communication path 23C can communicate the through holes 21A.

連絡路23Cは、どのような形状でも構わない。例えば、貫通孔21Cが、直径が数十μm程度の丸孔である場合、連絡路23Cは、幅が数十μm程度のスリットであってもよい。   The connecting path 23C may have any shape. For example, when the through hole 21C is a round hole having a diameter of about several tens of μm, the communication path 23C may be a slit having a width of about several tens of μm.

以上により、アノードガス拡散層2Aの積層体20は、従来に比べアノードガスを均一に拡散し得る。つまり、積層体20が連絡路23を備えることで、積層体20内を通過するアノードガスを一方向だけではなく、任意の方向に送ることができる。すると、連絡路23の配置パターンが異なる金属シート22を積層体20に積層させることで、積層体20内のアノードガスの流れの向きを任意に設定できる。これにより、アノードガス拡散層2Aのガス拡散性が向上する。   As described above, the laminate 20 of the anode gas diffusion layer 2A can diffuse the anode gas more uniformly than in the past. That is, when the stacked body 20 includes the communication path 23, the anode gas passing through the stacked body 20 can be sent not only in one direction but also in any direction. Then, the flow direction of the anode gas in the stacked body 20 can be arbitrarily set by stacking the metal sheets 22 having different arrangement patterns of the communication paths 23 on the stacked body 20. Thereby, the gas diffusibility of the anode gas diffusion layer 2A is improved.

なお、連絡路23の配置パターンが異なる金属シート22の組合せはどのようなものであってもよい。例えば、金属シート22Cとは配置パターンが異なる金属シートは、連絡路23Cの位置が横にずれた金属シートでもよいし、金属シート22Bでもよい。   In addition, what kind of combination of the metal sheet 22 from which the arrangement pattern of the connection path 23 differs may be sufficient. For example, the metal sheet having a different arrangement pattern from the metal sheet 22C may be a metal sheet in which the position of the communication path 23C is shifted laterally, or may be the metal sheet 22B.

また、例えば、図示しない流路部材のガス流路を通じてアノードガス拡散層2Aの積層体20の貫通孔21にアノードガスを流入させる構成を取る場合、この積層体20が上記の連絡路を備えないと、流路部材のガス流路が設けられていない部分の垂直線上に位置するアノードガス拡散層2Aの積層体20の貫通孔21にはアノードガスが流れずに、アノードガス拡散層2Aのガス拡散が不均一化する恐れがある。しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ16のアノードガス拡散層2Aでは、上記の連絡路23を介して、このようなアノードガス拡散層2Aの積層体20の貫通孔21にもアノードガスを流すことができるので、アノードガス拡散層2Aのガス拡散が不均一化することを抑制できる。   Further, for example, when the anode gas is introduced into the through hole 21 of the laminated body 20 of the anode gas diffusion layer 2A through a gas flow path of a flow path member (not shown), the laminated body 20 does not include the above communication path. In addition, the anode gas does not flow into the through hole 21 of the laminate 20 of the anode gas diffusion layer 2A located on the vertical line of the portion where the gas flow path of the flow path member is not provided, and the gas of the anode gas diffusion layer 2A does not flow. Diffusion may be uneven. However, in the anode gas diffusion layer 2A of the electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment, the anode gas is caused to flow also into the through hole 21 of the laminate 20 of the anode gas diffusion layer 2A via the communication path 23 described above. Therefore, nonuniform gas diffusion in the anode gas diffusion layer 2A can be suppressed.

以上により、アノードガス拡散層2Aのガス拡散性が向上するので、電気化学式水素ポンプ16の反応過電圧の増加を抑制できる。つまり、アノードガス中の水素がプロトンと電子に解離する際の反応抵抗(反応過電圧)の増大、すなわち、電気化学式水素ポンプ16の水素圧縮運転に必要な消費電力の増加が従来よりも抑制される。   As described above, since the gas diffusibility of the anode gas diffusion layer 2A is improved, an increase in the reaction overvoltage of the electrochemical hydrogen pump 16 can be suppressed. That is, an increase in reaction resistance (reaction overvoltage) when hydrogen in the anode gas is dissociated into protons and electrons, that is, an increase in power consumption required for the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 16 is suppressed more than in the past. .

また、アノードガス拡散層2Aの積層体20の金属シート22は連絡路23の数が少ない程、アノード触媒層3Aと金属シート22との間の接触面積が増える。ここで、図4に示すように、アノード触媒層3Aに隣接する第1の金属シート22Fは、このような連絡路を備えないので、第1の金属シート22Fとアノード触媒層3Aとの間の接触面積は、アノード触媒層3Aが、連絡路を備える金属シートに隣接する場合に比べ増える。よって、第1の金属シート22Fとアノード触媒層3Aとの間の拡散抵抗を適切に低減できる。   Moreover, the contact area between the anode catalyst layer 3A and the metal sheet 22 increases as the number of the communication paths 23 in the metal sheet 22 of the laminate 20 of the anode gas diffusion layer 2A decreases. Here, as shown in FIG. 4, the first metal sheet 22F adjacent to the anode catalyst layer 3A does not include such a communication path, and therefore, between the first metal sheet 22F and the anode catalyst layer 3A. The contact area increases as compared with the case where the anode catalyst layer 3A is adjacent to the metal sheet having the communication path. Therefore, it is possible to appropriately reduce the diffusion resistance between the first metal sheet 22F and the anode catalyst layer 3A.

また、アノードガス拡散層2Aの積層体20の金属シート22の連絡路の数が多くなる場合、この金属シート22の面内の流体抵抗のバラツキが増大する傾向がある。例えば、連絡路が多い領域とそうでない領域とが、金属シート22の面内に混在する場合、連絡路23の方が貫通孔21よりも開口面積が大きいため、前者の領域が後者の領域に比べ流体抵抗が低くなる。すると、前者の領域が後者の領域よりもガスが流れやすくなる。このため、仮に連絡路23の数が多い金属シート22がアノード触媒層3Aと接触する場合、アノードガス拡散層2Aからアノード触媒層3Aの全域にガスを万遍なく供給することが阻害される可能性がある。しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ16のアノードガス拡散層2Aでは、このような連絡路を備えない第1の金属シート22Fがアノード触媒層3Aと接触することで、このような可能性が低減される。   Further, when the number of communication paths of the metal sheet 22 of the laminate 20 of the anode gas diffusion layer 2A is increased, variation in fluid resistance in the surface of the metal sheet 22 tends to increase. For example, when an area with many connecting paths and an area with no connecting areas are mixed in the plane of the metal sheet 22, the opening area of the connecting path 23 is larger than that of the through hole 21, so the former area becomes the latter area. Compared to fluid resistance. Then, gas flows more easily in the former area than in the latter area. For this reason, if the metal sheet 22 having a large number of communication paths 23 is in contact with the anode catalyst layer 3A, it is possible to prevent the gas from being uniformly supplied from the anode gas diffusion layer 2A to the entire area of the anode catalyst layer 3A. There is sex. However, in the anode gas diffusion layer 2A of the electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment, such a possibility is caused by the first metal sheet 22F not having such a communication path being in contact with the anode catalyst layer 3A. Reduced.

なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ16は、上記特徴以外は、第1実施形態、第1実施形態の実施例および第1実施形態の第1変形例−第3変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ16と同様であってもよい。   The electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, the example of the first embodiment, and any one of the first modification to the third modification of the first embodiment except for the above characteristics. The chemical hydrogen pump 16 may be the same.

また、以上の貫通孔21および連絡路23の形状および寸法は例示であって、本例に限定されない。   Moreover, the shape and dimension of the above through-hole 21 and the connection path 23 are illustrations, Comprising: It is not limited to this example.

(第1実施例)
図9は、第2実施形態の第1実施例の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を断面視した図である。図9には、アノードガス拡散層2Aの積層体20の一部の断面が示されている。なお、アノード触媒層3Aに隣接する積層体20の部分には、上記のとおり、第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22Sが設けられているが、図9では、これらの第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22Sの図示を省略している。
(First embodiment)
FIG. 9 is a cross-sectional view of an example of the anode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the first example of the second embodiment. FIG. 9 shows a partial cross section of the laminate 20 of the anode gas diffusion layer 2A. Note that, as described above, the first metal sheet 22F and the second metal sheet 22S are provided in the portion of the stacked body 20 adjacent to the anode catalyst layer 3A. In FIG. Illustration of the metal sheet 22F and the second metal sheet 22S is omitted.

本実施例の電気化学式水素ポンプ16は、第2実施形態の電気化学式水素ポンプ16において、連絡路23は、連絡路23が設けられた金属シート22に隣り合う同一の金属シート22Dに設けられた貫通孔21LDおよび貫通孔21RD同士を連絡する。つまり、連絡路23は、連絡路23が設けられた金属シート22の下方の同一の金属シート22Dに存在する左の貫通孔21LDと右の貫通孔21RDとを連絡している。なお、貫通孔21LDと貫通孔21RDとは、連絡路23の長さ分、積層体20の主面と平行な方向に偏倚している。   In the electrochemical hydrogen pump 16 of the present example, in the electrochemical hydrogen pump 16 of the second embodiment, the communication path 23 is provided on the same metal sheet 22D adjacent to the metal sheet 22 provided with the communication path 23. The through hole 21LD and the through hole 21RD communicate with each other. That is, the connecting path 23 connects the left through hole 21LD and the right through hole 21RD that exist in the same metal sheet 22D below the metal sheet 22 provided with the connecting path 23. The through hole 21LD and the through hole 21RD are biased in the direction parallel to the main surface of the stacked body 20 by the length of the communication path 23.

また、図9に示すように、連絡路23が設けられた金属シート22の上方の金属シート22Uが、貫通孔21LDの直上の貫通孔21Uを備えてもよい。この場合、連絡路23は、貫通孔21Uと貫通孔21RDとを連絡する。なお、連絡路23が設けられた金属シート22の上方の金属シート22Uが、貫通孔21RDの直上の貫通孔(図示せず)を備えてもよい。この場合、連絡路23は、上記の直上の貫通孔と貫通孔21LDとを連絡する。   Moreover, as shown in FIG. 9, the metal sheet 22U above the metal sheet 22 provided with the communication path 23 may include a through hole 21U immediately above the through hole 21LD. In this case, the communication path 23 connects the through hole 21U and the through hole 21RD. The metal sheet 22U above the metal sheet 22 provided with the communication path 23 may include a through hole (not shown) immediately above the through hole 21RD. In this case, the communication path 23 connects the through hole directly above and the through hole 21LD.

アノードガス拡散層2Aの積層体20が、上記の連絡路23を備えることで、積層体20内を通過するアノードガスを、積層体20を貫通する方向だけではなく、積層体20の主面と平行な方向にも送ることができる。よって、アノードガス拡散層2Aのガス拡散性が向上する。   The laminated body 20 of the anode gas diffusion layer 2 </ b> A includes the above-described communication path 23, so that the anode gas passing through the laminated body 20 is not only transmitted through the laminated body 20, but also with the main surface of the laminated body 20. It can also be sent in parallel directions. Therefore, the gas diffusibility of the anode gas diffusion layer 2A is improved.

本実施例の電気化学式水素ポンプ16は、上記特徴以外は、第2実施形態の電気化学式水素ポンプ16と同様であってもよい。   The electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 16 of the second embodiment except for the above features.

(第2実施例)
図10は、第2実施形態の第2実施例の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を断面視した図である。図10には、アノードガス拡散層2Aの積層体20の一部の断面が示されている。なお、アノード触媒層3Aに隣接する積層体20の部分には、上記のとおり、第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22Sが設けられているが、図10では、これらの第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22Sの図示を省略している。
(Second embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view of an example of the anode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the second example of the second embodiment. FIG. 10 shows a partial cross section of the laminate 20 of the anode gas diffusion layer 2A. Note that, as described above, the first metal sheet 22F and the second metal sheet 22S are provided in the portion of the stacked body 20 adjacent to the anode catalyst layer 3A. In FIG. Illustration of the metal sheet 22F and the second metal sheet 22S is omitted.

本実施例の電気化学式水素ポンプ16は、第2実施形態または第2実施形態の第1実施例の電気化学式水素ポンプ16において、連絡路23は、連絡路23が設けられた金属シート22に隣り合う、異なる金属シート22Uおよび金属シート22Dに設けられた貫通孔21Uおよび貫通孔21D同士を連絡する。つまり、連絡路23は、連絡路23が設けられた金属シート22の上方の金属シート22Uの貫通孔21Uと下方の金属シート22Dの貫通孔21Uとを連絡している。なお、貫通孔21Uと貫通孔21Dとは、連絡路23の長さ分、積層体20の主面と平行な方向に偏倚している。   The electrochemical hydrogen pump 16 of this example is the electrochemical hydrogen pump 16 of the second embodiment or the first example of the second embodiment. The communication path 23 is adjacent to the metal sheet 22 provided with the communication path 23. The through holes 21U and the through holes 21D provided in the different metal sheets 22U and 22D are connected to each other. That is, the connecting path 23 connects the through hole 21U of the upper metal sheet 22U of the metal sheet 22 provided with the connecting path 23 and the through hole 21U of the lower metal sheet 22D. The through hole 21U and the through hole 21D are biased in the direction parallel to the main surface of the stacked body 20 by the length of the communication path 23.

アノードガス拡散層2Aの積層体20が、上記の連絡路23を備えることで、積層体20内を通過するガスを、積層体20を貫通する方向だけではなく、積層体20の主面と平行な方向にも送ることができる。よって、アノードガス拡散層2Aのガス拡散性が向上する。   The laminated body 20 of the anode gas diffusion layer 2A includes the above-described communication path 23, so that the gas passing through the laminated body 20 is not only in the direction penetrating the laminated body 20, but also in parallel with the main surface of the laminated body 20. Can be sent in any direction. Therefore, the gas diffusibility of the anode gas diffusion layer 2A is improved.

本実施例の電気化学式水素ポンプ16は、上記特徴以外は、第2実施形態または第2実施形態の第1実施例の電気化学式水素ポンプ16と同様であってもよい。   The electrochemical hydrogen pump 16 of the present embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 16 of the second embodiment or the first embodiment of the second embodiment except for the above features.

(変形例)
図11は、第2実施形態の変形例の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を断面視した図である。図11には、アノードガス拡散層2Aの積層体20の一部の断面が示されている。なお、アノード触媒層3Aに隣接する積層体20の部分には、上記のとおり、第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22Sが設けられているが、図11では、これらの第1の金属シート22Fおよび第2の金属シート22Sの図示を省略している。
(Modification)
FIG. 11 is a cross-sectional view of an example of an anode gas diffusion layer of an electrochemical hydrogen pump according to a modification of the second embodiment. FIG. 11 shows a partial cross section of the laminate 20 of the anode gas diffusion layer 2A. Note that, as described above, the first metal sheet 22F and the second metal sheet 22S are provided in the portion of the stacked body 20 adjacent to the anode catalyst layer 3A. In FIG. Illustration of the metal sheet 22F and the second metal sheet 22S is omitted.

本変形例の電気化学式水素ポンプ16は、第1の態様−第2の態様、第1実施形態の実施例、第1実施形態の第1変形例−第3変形例、第2実施形態および第2実施形態の第1実施例−第2実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ16において、アノードガス拡散層2Aの積層体20は、ガスを拡散させる金属焼結体の金属シート222を含む。   The electrochemical hydrogen pump 16 of the present modification includes a first aspect-second aspect, an example of the first embodiment, a first modification of the first embodiment-a third modification, a second embodiment, and a first embodiment. In the electrochemical hydrogen pump 16 of any one of the first to second examples of the second embodiment, the laminate 20 of the anode gas diffusion layer 2A includes a metal sheet 222 of a metal sintered body that diffuses gas.

金属焼結体の金属シート222は、例えば、金属粉を焼結することで得られ、骨格部54および複数の空孔部53からなる多孔質化された構成を備える。空孔部53は、直径が数十μm程度(例えば、約50μm程度)の空間であって互いに連通している。これにより、アノードガスが、金属シート222をその厚み方向に通過するとき、アノードガスを拡散することができる。なお、金属シート222は、平滑に表面処理されている。   The metal sheet 222 of the metal sintered body is obtained by, for example, sintering metal powder, and has a porous structure including the skeleton part 54 and the plurality of hole parts 53. The air holes 53 are spaces having a diameter of about several tens of μm (for example, about 50 μm) and communicate with each other. Thereby, when the anode gas passes through the metal sheet 222 in the thickness direction, the anode gas can be diffused. Note that the metal sheet 222 is subjected to a smooth surface treatment.

以上により、本変形例の電気化学式水素ポンプ16は、アノードガス拡散層2Aの積層体20が金属焼結体の金属シート222を備えることで、積層体20が、金属焼結体の金属シートを備えずに、通気孔が設けられた複数の金属鋼板で構成される場合に比べて、アノードガス拡散層2Aに必要なガス通気性およびガス拡散性を確保しやすくなる。   As described above, in the electrochemical hydrogen pump 16 of the present modification, the laminate 20 of the anode gas diffusion layer 2A includes the metal sheet 222 of the metal sintered body, so that the laminate 20 converts the metal sheet of the metal sintered body. Without providing it, it becomes easier to ensure the gas permeability and gas diffusibility required for the anode gas diffusion layer 2A than in the case of a plurality of metal steel plates provided with ventilation holes.

本変形例の電気化学式水素ポンプ16は、上記特徴以外は、第1実施形態、第1実施形態の実施例、第1実施形態の第1変形例−第3変形例、第2実施形態および第2実施形態の第1実施例−第2実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ16と同様であってもよい。   The electrochemical hydrogen pump 16 of this modification is the same as the first embodiment, the example of the first embodiment, the first modification of the first embodiment-the third modification, the second embodiment, and the second embodiment, except for the above features. It may be the same as the electrochemical hydrogen pump 16 in any one of the first embodiment to the second embodiment of the second embodiment.

なお、第1実施形態、第1実施形態の実施例、第1実施形態の第1変形例−第3変形例、第2実施形態、第2実施形態の第1実施例−第2実施例および第2実施形態の変形例は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。   In addition, 1st Embodiment, Example of 1st Embodiment, 1st modification of 1st Embodiment-3rd modification, 2nd Embodiment, 1st Example of 2nd Embodiment-2nd Example, and Modifications of the second embodiment may be combined with each other as long as they do not exclude each other.

また、上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および/または機能の詳細を実質的に変更できる。   In addition, many modifications and other embodiments of the disclosure are apparent to those skilled in the art from the foregoing description. Accordingly, the foregoing description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the disclosure. Details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the present disclosure.

本開示の一態様は、カソードおよびアノード間の差圧によってアノードガス拡散層に押圧された電解質膜が破断する可能性を従来よりも低減し得る電気化学式水素ポンプに利用できる。   One aspect of the present disclosure can be used for an electrochemical hydrogen pump that can reduce the possibility of breakage of an electrolyte membrane pressed against an anode gas diffusion layer due to a differential pressure between a cathode and an anode.

1A :第1プレート
1C :第2プレート
2A :アノードガス拡散層
2C :カソードガス拡散層
3A :アノード触媒層
3C :カソード触媒層
4 :電解質膜
7 :カソード室
8 :アノード室
9 :開閉弁
10 :高圧水素タンク
11 :アノード入口配管
12 :カソード出口配管
13 :電圧印加器
14A :ガス流路
14C :ガス流路
15 :膜電極接合体(MEA)
16 :電気化学式水素ポンプ
20 :積層体
21 :貫通孔
21A :貫通孔
21B :貫通孔
21C :貫通孔
21D :貫通孔
21LD :貫通孔
21RD :貫通孔
21U :貫通孔
22 :金属シート
22A :金属シート
22B :金属シート
22C :金属シート
22D :金属シート
22F :第1の金属シート
22S :第2の金属シート
22G :第3の金属シート
22H :第4の金属シート
22U :金属シート
23 :連絡路
23B :連絡路
23C :連絡路
25E :エッジ部
25F :通気孔
25S :通気孔
25G :通気孔
25H :通気孔
27A :開口が重なる部分
27C :開口が重なる部分
50 :ガス拡散部
53 :空孔部
54 :骨格部
100 :領域
125E :エッジ部
125F :通気孔
125S :通気孔
125G :通気孔
125H :通気孔
127AA :第1部分
127AB :第2部分
127AC :第3部分
127CA :第1部分
127CB :第2部分
127CC :第3部分
222 :金属シート
1A: 1st plate 1C: 2nd plate 2A: Anode gas diffusion layer 2C: Cathode gas diffusion layer 3A: Anode catalyst layer 3C: Cathode catalyst layer 4: Electrolyte membrane 7: Cathode chamber 8: Anode chamber 9: On-off valve 10: High-pressure hydrogen tank 11: Anode inlet pipe 12: Cathode outlet pipe 13: Voltage applicator 14A: Gas flow path 14C: Gas flow path 15: Membrane electrode assembly (MEA)
16: Electrochemical hydrogen pump 20: Laminate body 21: Through hole 21A: Through hole 21B: Through hole 21C: Through hole 21D: Through hole 21LD: Through hole 21RD: Through hole 21U: Through hole 22: Metal sheet 22A: Metal sheet 22B: Metal sheet 22C: Metal sheet 22D: Metal sheet 22F: First metal sheet 22S: Second metal sheet 22G: Third metal sheet 22H: Fourth metal sheet 22U: Metal sheet 23: Connection path 23B: Communication path 23C: Communication path 25E: Edge portion 25F: Vent hole 25S: Vent hole 25G: Vent hole 25H: Vent hole 27A: Portion where the openings overlap 27C: Portion where the openings overlap 50: Gas diffusion portion 53: Hole portion 54: Skeletal part 100: Region 125E: Edge part 125F: Vent hole 125S: Vent hole 125G: Vent hole 125H Vent 127AA: first portion 127AB: second portion 127AC: third portion 127CA: first portion 127CB: second portion 127CC: third portion 222: metal sheet

Claims (9)

一対の主面を備える電解質膜と、
前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、
前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、
前記カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散層と、
前記アノード触媒層に設けられたアノードガス拡散層と、
前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、
を備え、
前記アノードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、
前記アノードガス拡散層において、前記アノード触媒層に隣接する第1の金属シートの複数の通気孔の配設位置と前記第1の金属シートに隣接する第2の金属シートの複数の通気孔の配設位置とがずれており、
前記第1の金属シートの通気孔の開口の一部は、前記第2の金属シートの通気孔の開口と重なっており、
前記第1の金属シートの通気孔の開口の残りの部分は、前記第2の金属シートの通気孔が設けられていない領域により塞がれている、電気化学式水素ポンプ。
An electrolyte membrane comprising a pair of main surfaces;
A cathode catalyst layer provided on one main surface of the electrolyte membrane;
An anode catalyst layer provided on the other main surface of the electrolyte membrane;
A cathode gas diffusion layer provided in the cathode catalyst layer;
An anode gas diffusion layer provided in the anode catalyst layer;
A voltage applicator for applying a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer;
With
The anode gas diffusion layer includes a laminate of a plurality of metal sheets provided with a plurality of vent holes,
In the anode gas diffusion layer, the arrangement positions of the plurality of ventilation holes of the first metal sheet adjacent to the anode catalyst layer and the arrangement of the plurality of ventilation holes of the second metal sheet adjacent to the first metal sheet. The installation position has shifted,
A part of the opening of the vent hole of the first metal sheet overlaps with the opening of the vent hole of the second metal sheet,
The remaining portion of the opening of the vent hole of the first metal sheet is closed by an area where the vent hole of the second metal sheet is not provided.
前記第1の金属シートの厚みは、前記電解質膜の厚みよりも小さい請求項1に記載の電気化学式水素ポンプ。   The electrochemical hydrogen pump according to claim 1, wherein the thickness of the first metal sheet is smaller than the thickness of the electrolyte membrane. 前記第1の金属シートの通気孔の開口と前記第2の金属シートの通気孔の開口が重なる部分の面積は、8×円周率×(電解質膜の引張り強度)×(電解質膜の厚み)/(3×(電解質膜の理論破断圧力)×(3+電解質膜のポアソン比))よりも小さい請求項1または2に記載の電気化学式水素ポンプ。 The area of the portion where the opening of the vent hole of the first metal sheet and the opening of the vent hole of the second metal sheet overlap is 8 × circularity × (tensile strength of the electrolyte membrane) × (thickness of the electrolyte membrane) The electrochemical hydrogen pump according to claim 1 or 2, which is smaller than 2 / (3 × (theoretical breaking pressure of the electrolyte membrane) × (3 + Poisson's ratio of the electrolyte membrane)). 前記カソードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、
前記カソードガス拡散層において、前記カソード触媒層に隣接する第3の金属シートの複数の通気孔の開口の少なくとも一部が、前記第3の金属シートに隣接する第4の金属シートの複数の通気孔が設けられていない領域により塞がれている面積の総計は、前記アノードガス拡散層において、前記第1の金属シートの複数の通気孔の開口が、前記第2の金属シートの複数の通気孔が設けられていない領域により塞がれている面積の総計に比べ小さい、請求項1−3のいずれか1項に記載の電気化学式水素ポンプ。
The cathode gas diffusion layer includes a laminate of a plurality of metal sheets provided with a plurality of vent holes,
In the cathode gas diffusion layer, at least a part of the openings of the plurality of vent holes of the third metal sheet adjacent to the cathode catalyst layer has a plurality of passages of the fourth metal sheet adjacent to the third metal sheet. The total area covered by the regions where no pores are provided is that, in the anode gas diffusion layer, the openings of the plurality of vent holes of the first metal sheet are the plurality of openings of the second metal sheet. The electrochemical hydrogen pump according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrochemical hydrogen pump is smaller than a total area covered by a region where pores are not provided.
前記カソードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、
前記カソードガス拡散層において、前記カソード触媒層に隣接する第3の金属シートの複数の通気孔のうち、その開口の少なくとも一部が、前記第3の金属シートに隣接する第4の金属シートの複数の通気孔が設けられていない領域により塞がれている、前記第3の金属シートの通気孔の数は、前記アノードガス拡散層において、前記第1の金属シートの通気孔のうち、その開口の少なくとも一部が、前記第2の金属シートの複数の通気孔が設けられていない領域により塞がれている、前記第1の金属シートの通気孔の数に比べ少ない、請求項1−3のいずれか1項に記載の電気化学式水素ポンプ。
The cathode gas diffusion layer includes a laminate of a plurality of metal sheets provided with a plurality of vent holes,
In the cathode gas diffusion layer, among the plurality of vent holes of the third metal sheet adjacent to the cathode catalyst layer, at least a part of the opening of the fourth metal sheet adjacent to the third metal sheet. The number of vent holes in the third metal sheet, which is blocked by a region where a plurality of vent holes are not provided, is the number of vent holes in the first metal sheet in the anode gas diffusion layer. At least a part of the opening is less than the number of ventilation holes of the first metal sheet, which is blocked by a region where the plurality of ventilation holes of the second metal sheet are not provided. 4. The electrochemical hydrogen pump according to any one of 3 above.
前記複数の金属シートのうち、少なくとも1つの前記金属シートは、貫通孔同士を連絡する連絡路を備える請求項1−5のいずれか1項に記載の電気化学式水素ポンプ。   The electrochemical hydrogen pump according to any one of claims 1 to 5, wherein at least one of the plurality of metal sheets includes a communication path that connects the through holes. 前記連絡路は、前記連絡路が設けられた金属シートに隣り合う同一の金属シートに設けられた貫通孔同士を連絡する請求項6に記載の電気化学式水素ポンプ。   The electrochemical hydrogen pump according to claim 6, wherein the communication path connects through holes provided in the same metal sheet adjacent to the metal sheet provided with the communication path. 前記連絡路は、前記連絡路が設けられた金属シートに隣り合う異なる金属シートに設けられた貫通孔同士を連絡する請求項6または7に記載の電気化学式水素ポンプ。   The electrochemical hydrogen pump according to claim 6 or 7, wherein the communication path connects through holes provided in different metal sheets adjacent to the metal sheet provided with the communication path. 前記積層体は、ガスを拡散させる金属焼結体の金属シートを含む請求項1−8のいずれか1項に記載の電気化学式水素ポンプ。   The electrochemical hydrogen pump according to claim 1, wherein the laminate includes a metal sheet of a metal sintered body that diffuses gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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